Tổng quan về mạng thông tin di động GSM, nghiên cứu giao diện vô tuyến của nó

đổi thông tin ngay cả khi đang di chuyển với chất lượng không thua kém điện thoại cố định, ngoài ra có nhiều dịch vụ tiện ích khác như: thông tin số liệu tốc độ cao hơn, hình ảnh tốc độ thấp, hình ảnh tốc độ đủ để phục vụ cho truyền hình,... ở các nước phát triển trên thế giới, số thuê bao di động đã chiếm 70% tổng số thuê bao. Còn ở nước ta, số thuê bao di động cũng đã chiếm trên 10% tổng số thuê bao. Với xu hướng phát triển như hiện nay, dự báo tỷ trọng các thuê bao di động trên tổng số các thuê bao sẽ không ngừng tăng nhanh và có thể đạt tới 50% tổng số các thuê bao vào đầu thế kỷ tới. ở Việt Nam, từ năm 1993 với sự ra đời của Công ty thông tin di động VMS, rồi VINAPHONE, chúng ta đã thiết lập được mạng thông tin di động số Việt Nam theo tiêu chuẩn GSM, góp phần đắc lực phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Tuy nhiên, để có được chất lượng phục vụ tốt cho nhu cầu thông tin di động, việc nghiên cứu, tìm hiểu những kỹ thuật về lĩnh vực này luôn luôn cần thiết. Đồ án tốt nghiệp này của em nhằm mục đích giới thiệu những kiến thức tổng quan về mạng thông tin di động số GSM, đồng thời đi sâu nghiên cứu giao diện vô tuyến của nó. Có nhiều giao diện trong một hệ thống GSM, nhưng trong đó, giao diện vô tuyến Um là giao diện đặc thù nhất của toàn bộ hệ thống. Nội dung đồ án được chia thành 3 chương: Chương I: Hệ thống thông tin di động số GSM. Chương II: Giao tiếp Um của hệ thống GSM. Giao diện vô tuyến là phần quan trọng nhất của một mạng thông tin di động, cũng là một vấn đề khó. Thêm nữa, do thời gian thực tập, nghiên cứu có hạn, nên chắc chắn đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi các thiết sót. Rất mong được sự góp ý, phê bình của các thầy, cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Đỗ Trọng Tuấn đã giúp đỡ em trong quá trình thực tập, nghiên cứu, cho em nhiều hướng dẫn quý báu để báo cáo được hoàn thiện hơn. Đồng thời, em cũng xin cảm ơn thầy về tất cả mọi điều thầy đã dạy cho em không chỉ trong kiến thức khoa học đơn thuần. Tổng quan về mạng thông tin di động GSM, nghiên cứu giao diện vô tuyến của nó Chương I Hệ thống thông tin di động số GSM 1. Vài nét về lịch sử dịch vụ thông tin di động và giới thiệu mạng thông tin di động GSM 1.1. Vài nét về lịch sử dịch vụ thông tin di động Hiện nay nhu cầu về thông tin của xã hội ngày càng tăng lên và do đó ngày càng đòi hỏi thêm nhiều dịch vụ mới. Mạng thông tin di động là một hệ thống thông tin mới tiện dụng, cho phép người ta trao đổi thông tin tại bất cứ vị trí nào trong bất kỳ thời gian nào, ngay cả khi đang di chuyển. Ngoài ra nó còn có các dịch vụ tiện ích mà các hệ thống thông tin di động khác không có. Sự trao đổi thông tin giữa máy di động và mạng di động sử dụng đường vô tuyến. Thông tin di động được ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sách từ những năm 1920 ở băng tần vô tuyến 2 Mhz. Mãi đến sau chiến tranh thế giới lần thứ II mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dân dụng với kỹ thuật điều chế tần số FM ở băng sóng 150 Mhz tại Mỹ. Đến những năm 60, kênh hệ thống thông tin di động có dải tần 30 Khz với kỹ thuật điều chế tần số FM ở băng tần 450 MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần tăng lên 4 lần so với sau thế chiến thứ II. Vào đầu những năm 80, ở một số nước Châu Âu đã xuất hiện các hệ thống thông tin di động tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA. Tuy nhiên các hệ thống này có nhiều nhược điểm làm cho mạng thông tin di động chỉ bó hẹp trong từng quốc gia. Đó là các hạn chế cố hữu của hệ thống tổ ong tương tự: - Dung lượng thấp, phân bổ tần số hạn chế, sẽ không đáp ứng được nhu cầu thông tin di động trong tương lai. - Khi máy di động chuyển động trong môi trường pha đinh đa tia, có nhiều nhiễu và tiếng ồn xẩy ra. - Không có nhiều dịch vụ mới hấp dẫn khách hàng. - Thiết bị cồng kềnh, phức tạp, không cho phép giảm giá thành thiết bị và cơ sở hạ tầng của mạng. - Không đảm bảo tính bảo mật. - Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau. Để khắc phục những hạn chế trên, giải pháp duy nhất là chuyển sang kỹ thuật thông tin di động số, đồng thời dùng những kỹ thuật đa thâm nhập mới. Trước tình hình đó, vào năm 1982, các nước Bắc Âu gửi đề nghị đến Hội nghị các cơ quan quản lý viễn thông và Bưu chính Châu Âu CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung Châu Âu ở băng tần 900 MHz. Tháng 5/1987, 13 quốc gia đang sử dụng điện thoại di động đã ký một biên bản ghi nhớ làm nền tảng cho mạng thông tin di động số thống nhất toàn Châu Âu, sử dụng giải pha đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA. Tiêu chuẩn hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là tiêu chuẩn thống nhất chung cho hệ thống thông tin di động số toàn Châu Âu do Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI quy định dưới các hình thức khuyến nghị, lấy các tiêu chuẩn này làm cơ sở cho các mạng thông tin di động, làm cho chúng tương thích với nhau. 1.2. Giới thiệu mạng thông tin di động GSM Hệ thống vô tuyến trong GSM làm việc trong 1 băng tần hẹp, từ 890 MHz đến 960 MHz. Để truyền song công, băng tần này được chia làm 2 phần: - Băng tần xuống (Downlink Band) từ 935,2 Mhz đến 959,8 MHz cho các kênh vô tuyến từ trạm thu phát đến máy di động. - Băng tần lên (Uplink Band) từ 890,2 MHz đến 914,8 MHz cho các kênh vô tuyến từ máy di động đến trạm thu phát. Như vậy băng tần của GSM được chia làm 2 băng sóng, mỗi băng có độ rộng là 25 MHz. Dải thông tần 1 kênh vật lý là 200 KHz. Dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng 200 KHz. Vậy GSM có 124 dải thông tần bắt đầu từ tần số 890,2 MHz. Khoảng cách giữa tần số hướng lên và tần số hướng xuống cho mỗi kênh là 45 MHz. Hướng xuống là hướng từ trạm gốc tới trạm di động và hướng lên là từ trạm di động tới trạm gốc. Các kênh này gọi là kênh song công (Duplex distance). Một kênh vô tuyến sử dụng 1 sóng mang có phổ nằm trong băng tần của kênh vào thời điểm hoạt động của kênh, kênh vô tuyến này mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là 1 kênh vật lý trao đổi thông tin giữa mạng và trạm di động. Kênh vật lý mang kênh logic, có thể là kênh lưu lượng hay kênh điều khiển. Mỗi khe 15/26ms ằ 577 ms, 1 khung 4,62 ms. Để khắc phục độ trễ do đường truyền, khung đường lên trễ 3 khe so với khung đường xuống, kiểu điều chế ở GSM là kiểu điều chế khoá chuyển pha cực tiểu GMSK, tốc độ truyền dẫn 270 Kbit/s. Vùng mạng PLMN (Public Land Mobile Network) được chia thành nhiều ô vô tuyến có bán kính từ 350m đến 35 km. Kích thước này còn phụ thuộc vào cấu tạo địa hình và lưu lượng thông tin. Mỗi ô vô tuyến tương ứng với 1 trạm thu phát gốc BTS. Để sử dụng triệt để băng tần, trong GSM đưa ra khái niệm sử dụng lại tần số: Băng tần sẵn có được chia thành 124 tần số song công, các tần số này lại được chia thành các nhóm tần số, nhóm tần số này được ấn định cho 1 vùng bao gồm nhiều trạm gốc BTS. Mẫu sử dụng tần số này lại có thể đem ấn định cho 1 vùng bên cạnh mà không gây ra hiện tượng nhiễu giao thoa đồng kênh. Khi khoảng cách giữa 2 trạm gốc sử dụng chung 1 tần số đủ lớn. Làm như thế, với 1 dải tần số và số lượng kênh vô tuyến nhất định ta sẽ tăng khả năng sử dụng tần số, điều này liên quan đến việc tăng dung lượng toàn mạng. Sự di chuyển của 1 trạm di động từ 1 vùng phục vụ MSC/VLR này sang vùng phục vụ MSC/VLR khác gọi là chuyển vùng (Roaming). Các vùng phục vụ này có thể thuộc cùng 1 quốc gia hay 2 quốc gia khác nhau. Sự di chuyển của trạm di động từ ô vô tuyến này sang ô vô tuyến khác, từ vùng định vị này sang vùng định vị khác gọi là chuyển giao (Hand over). Tốc độ di chuyển của trạm di động MS lớn nhất cho phép khoảng 300 km/h, với tốc độ lớn hơn, chất lượng kênh vô tuyến sẽ giảm nghiêm trọng do ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler. Ngoài băng tần GSM cơ bản còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần DCS (Digital Cellular System). 2. Cấu trúc mạng thông tin di động GSM. 2.1. Cấu trúc hệ thống. Theo khuyến nghị của GSM, cấu trúc chung của 1 mạng thông tin di động số GSM như sau: ISDN PSPDN CSPDN PSTN PLMN VLR EIR AUC MSC HLR NSS MS BTS BSS BSC OMC PSPDN: Mạng chuyển mạch gói công cộng CSPDN: Mạng chuyển mạch kênh công cộng Hình 2.1. Cấu trúc mạng thông tin di động số GSM. Ký hiệu: SS: Hệ thống con chuyển mạch AUC: Trung tâm nhận thực VLR : Bộ ghi định vị tạm trú HLR: Bộ ghi định vị thường trú EIR: Thanh ghi nhận dạng thiêt bị MSC: Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động. BSS: Hệ thống con trạm gốc BTS: Trạm vô tuyến gốc BSC: Điều khiển trạm gốc MS: Máy di động OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ Các thành phần của mạng: Một mạng GSM gồm 4 hệ thống con: Hệ thống con chuyển mạch (NSS), hệ thống con trạm gốc (BSS), hệ thống con khai thác và bảo dưỡng OMC và trạm di động (MS). 2.1.1. Hệ thống con chuyển mạch (NSS) Hệ thống con này gồm 6 khối chức năng sau: - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC) - Bộ ghi định vị thường trú (HLR) - Bộ ghi định vị tạm thời (VLR) - Trung tâm nhận thực (AVC) - Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR) - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động cổng (GMSC). 2.1.1.1. MSC ở SS chức năng chuyển mạch chính được thực hiện bởi MSC, nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các người sử dụng mạng di động. Một mặt MSC giao tiếp với hệ thống con BSS, mặt khác nó giao tiếp với mạng người - MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng (GMSC). Việc giao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho các người sử dụng mạng di động đòi hỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác, IWF: Interworking function). NSS 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 cho người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng di động. Chẳng hạn NSS có thể sử dụng mạng báo hiệu kênh chung. Số 7 (CSS N07), mạng này đảm bảo hoạt động tương tác của các phần tử của NSS trong 1 hay nhiều mạng di động. MSC thường là 1 tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc (BSC). Một tổng đài MSC thích hợp cho 1 vùng đô thị và ngoại ô có dân cư vào khoảng 1 triệu (với mật độ thuê bao trung bình). Để kết nối MSC với 1 số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng di động này với các mạng đó. Các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác IWF. IWF bao gồm 1 số thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn. Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN (Packet switched public data network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói) hay CSPDN (Circuit switched public data network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch), nó cũng 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 bị riêng. ở trường hợp 2 giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở. 2.1.1.2. HLR Ngoài MSC, NSS bao gồm cả các cơ sở dữ liệu. Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu giữ ở HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao. HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao. Thường HLR là 1 máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch và có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC, nhiệm vụ của trung tâm này là quản lý an toàn số liệu của các thuê bao được phép. 2.1.1.3. VLR VLR là cơ sở dữ liệu thứ 2 trong mạng di động - nó được nối với 1 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 vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn ALR. Các chức năng thường được liên kết với các chức năng của MSC. 2.1.1.4. Trung tâm nhận thực AUC. Trong hệ thống GSM có nhiều biện pháp an toàn khác nhau được dùng để tránh sử dụng trái phép, cho phép bám và ghi cuộc gọi. Đường vô tuyến cũng được trung tâm nhận thực AUC cung cấp mã bảo mật chống sự nghe trộm mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao. Cơ sở dữ liệu của AUC còn ghi nhiều thông tin cần thiết về thuê bao và phải được bảo vệ chống mọi thâm nhập trái phép. 2.1.1.5. Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR). Người ta bảo vệ mạng PLMN khỏi sự thâm nhập của những thuê bao trái phép bằng cách so sánh số nhận dạng thiết bị trạm di động quốc tế IMEI của thuê bao này gửi tới khi thiết lập thông tin với số IMEI lưu trữ trong bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR. Nếu không tương ứng thuê bao sẽ không thể truy nhập được. 2.1.1.6. GMSC NSS có thể chứa nhiều MSC, ULR, HLR. Để thiế lập 1 cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến 1 tổng đài cổng được gọi là GMSC mà không cần biết đến hiện thời thuê bao đang ở đâu. Các tổng đài có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định 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 có 1 giao tiếp với các mạng bên ngoài, thông qua giao tiếp này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối các mạng bên ngoài với mạng di động. Ngoài ra tổng đài này cũng có giao tiếp báo hiệu (CCS N07) để có thể tương tác với các phần tử khác của SS. Về phương tiện kinh tế không phải bao giờ tổng đài cổng cũng đứng riêng mà nó thường kết hợp với MSC. 2.1.2. Hệ thống con trạm gốc (BSS) (Hình 2.3). BSS thực hiện nhiệm vụ giám sát các đường ghép nối vô tuyến, quản lý tần số vô tuyến, công suất phát và quá trình Hand over. Cụ thể là: - Điều khiển sự thay đổi tần số vô tuyến của đường ghép nối và sự thay đổi công suất phát vô tuyến. - Thực hiện việc mã hoá kênh và tín hiệu thoại số, phối hợp tốc độ truyền thông tin. - Quản lý quá trình Hand over. - Thực hiện bảo mật kênh vô tuyến. Phân hệ BSS gồm 2 phần: Bộ điều khiển vô tuyến số BSS và nhiều trạm thu phát gốc BTS. Nếu khoảng cách giữa BTS và BSC nhỏ hơn 10m các kênh thông tin có thể được nối trực tiếp (chế độ combine) nếu khoảng cách này lớn phải nối qua giao diện Abis. 2.1.2.1. Thiết bị điều khiển trạm gốc (BSC) Làm việc như 1 thiết bị chuyển mạch cho BSS. BSC bao gồm các khối giao diện A với tổng đài MSC, các khối chức năng điều khiển trạm gốc BTS, khối giao diện trung tâm khai thác, bảo dưỡng OMC và khối chuyển mạch. 2.1.2.2. Trạm thu phát gốc (BTS). Có giao diện vô tuyến Um với trạm di động MS, thực hiện ghép nối giữa MS và mạng. Tại đây, các tín hiệu vô tuyến được điều chế, khuếch đại và phối hợp thu phát. BTS bao gồm các khối chức năng sau: - Phần vô tuyến tương tự để điều chế khuếch đại và phối hợp thu phát. - Khối băng gốc để phối hợp tốc độ truyền thoại, số liệu và mã hoá kênh. - Khối điều khiển của trạm phục vụ cho chức năng vận hành và bảo dưỡng BTS. - Khối truyền dẫn để ghép tín hiệu trên đường truyền A-bis. 2.1.3. Hệ thống con khai thác và bảo dưỡng OMC Hệ thống con khai thác OMC một mặt được nối đến tất cả các phần tử mạng viễn thông trừ BTS (vì thâm nhập đến BTS được thực hiện qua BSC). Mặt khác, nó được nối đến 1 máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người máy. OMC bao gồm các chức năng: Khai thác là giám sát toàn bộ chất lượng dịch vụ (như tải lưu lượng, mức độ nghẽn, số lượng chuyển giao,...) và kịp thời xử lý các sự cố. Khai thác cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giải quyết những vấn đề hiện tại đặt ra, để tăng lưu lượng trong tương lai, để tăng diện tích phủ sóng. Việc thay đổi mạng có thể được thực hiện "mềm" (như thay đổi thông số chuyển giao để thay đổi biên giữa các cell) hoặc thực hiện "cứng" (như lắp đặt thêm BTS). Bảo dưỡng là phát hiện, định vị các sự cố. Các thiết bị viễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện 1 số sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra. Trong nhiều trường hợp người ta dự phòng cho thiết bị để thiết bị hỏng hóc có thể được tự động thay thế bằng thiết bị dự phòng. Chức năng quản lý thuê bao: bắt đầu từ việc thâm nhập và xoá thuê bao, xác định dịch vụ và tính năng bổ sung. Quản lý thuê bao còn gồm việc tính cước. Trong môi trường di động, các MSC và GMSC đều tính cước 1 cuộc gọi di động. Tuy nhiên mạng cần tập trung dữ liệu tính cước đối với mỗi thuê bao MS vào 1 trung tâm rồi từ đó gửi đến thuê bao. Quản lý thuê bao do HLR và 1 số thiết bị OMC chuyên dụng đảm trách, trong đó có các trạm công tác (giao tiếp người - máy) ở các trung tâm giao dịch với thuê bao SIM cũng có vai trò quan trọng góp phần với OMC để quản lý thuê bao. Quản lý thiết bị di động: được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register) EIR lưu trữ tất cả dữ liệu liên quan tới trạm di động MS. EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị. Một thiết bị không được phép sẽ bị cấm. 2.1.4. Trạm di động (MS) Trạm di động là thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống. MS có thể là thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị xách tay hoặc cầm tay. Loại thiết bị nhỏ cầm tay là thiết bị 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 thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với 1 số thiết bị khác (như giao diện với msáy tính cá nhân, fax,...). Hiện nay người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động. Việc chọn lựa các thiết bị đầu cuối hiện để mở cho các nhà sản xuất. Ta có thể liệt kê 3 chức năng chính của MS như sau: * Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng di động: 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 bị đầu cuối với kết cuối di động. Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm di động tuân theo tiêu chuẩn ISON để đấu nối đầu cuối còn thiết bị đầu cuối lại có giao diện đầu cuối MODEM. Trạm di động không hoàn toàn lệ thuộc chặt chẽ vào 1 người sử dụng mà sự lệ thuộc này thông qua 1 thẻ vi mạch cá nhân (SIM) được gắn trên máy di động. Sự nhận thực được kiểm tra bởi mạng, xét xem liệu thuê bao có hợp pháp khi sử dụng các dịch vụ của mạng không, sau đó nó mới được nhập vào hệ thống. Một số nhận dạng cá nhân (PIN) được dùng kèm theo SIM để chống sử dụng trái phép thẻ SIM. Trạm di động có 1 số nhận dạng riêng là số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI và việc mã khoá, giải mã tiếng sẽ được thực hiện ngay tại trạm di động, tức là quá trình truyền dẫn giữa mạng và trạm di động là truyền dẫn số. Ngoài ra ở trạm di động còn có các kỹ thuật để tiết kiệm công suất phát như sử dụng chế độ nghỉ và truyền dẫn không liên tục để kéo thời gian sử dụng pin của trạm di động. Đầu cuốidi động Đầu cuốidi động Thích ứngđầu cuối Thiết bịđầu cuối ằ : ẩ Hình 2.2. Cấu trúc chức năng của trạm di động Bộ  ghép Cu FHU Fu TCU MCU Tuỳ chọn Abis BIU BIU OMU DTC SM S M DTC TC A TC A Tuỳ chọn CPR X Vô tuyến Đ/K băng gốc BTS Truyền dẫn Đ/K BSC Truyền dẫn BTS BSC Hình 2.3. Cấu trúc chung của hệ thống BSS Ký hiệu: BIU: Thiết bị giao diện trạm gốc TC: Các bộ chuyển đổi mã SM: Khối ghép kênh con DTC: Bộ Đ/K trung kế CPR: Bộ xử lý điều khiển TCU: Khối Đ/K đầu cuối FU: Khối tạo khung FHU: Khối nhảy tần CU: Khối sóng mang MCU: Khối đồng hồ chủ OMU: Khối khai thác và bảo dưỡng 2.2. Cấu trúc địa lý của mạng di động Do việc di chuyển của các trạm di động MS nên việc định tuyến các cuộc gọi trong thông tin di động phức tạp hơn so với thông tin trong mạng cố định, cấu trúc mạng thông tin di động được phân chia thành các vùng. 2.2.1. Vùng mạng (PLMN) Đây là vùng bao phủ trên toàn hệ thống thông tin di động. Trong vùng mạng có tổng đài cổng GMSC (Gate Mobile Switching Center) làm nhiệm vụ chuyển mạch tất cả các cuộc gọi từ mạng di động PLMN vào các mạng viễn thông công cộng và ngược lại. GMSC định tuyến tất cả các cuộc gọi đến nơi nhận cuối cùng của chúng là các MS. 2.2.2. Vùng phục vụ (MSC/VLR) Đây là vùng do MSC quản lý để định tuyến 1 cuộc gọi đến thuê bao di động. Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành 1 hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR. Để định tuyến 1 cuộc gọi đến 1 MS, đường truyền qua mạng sẽ nối đến MSC ở vùng phục vụ MSC/VLR nơi thuê bao đang ở đó. 2.2.3. Vùng định vị (LA) Là các vùng nhỏ tạo thành vùng phục vụ MSC/VLR. Trong vùng định vị LA các trạm di động MS có thể chuyển động tự do mà không cần gửi các thông tin cập nhật vị trí cho tổng đài MSC/VLR. Nó cũng là vùng mà tại đó thông báo tìm gọi được phát quảng bá cho các MS. LA có thể gồm nhiều ô và thuộc 1 hay nhiều BSC nhưng nó chỉ thuộc 1 MSC/VLR. Vùng định vị được hệ thống sử dụng để tìm 1 thuê bao đang ở trạng thái hoạt động. Hệ thống nhận dạng LA bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI. 2.2.4. Ô (Cell) Ô là đơn vị nhỏ nhất được vùng định vị phân chia. Mỗi ô là 1 vùng bao phủ vô tuyến, được nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu CGT. Trong GSM, mỗi ô có 1 BTS. Vì vậy MS nhận dạng ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC. Việc định tuyến 1 cuộc gọi đến thuê bao di động được thực hiện bởi sự liên lạc trực tiếp giữa BTS của ô đó và MS. GMSC MSC VLR MSC VLR MSC VLR MSC VLR Hình 2.4. Các vùng phục vụ MSC/VLR MSC VLR La9 La5 La8 La7 La4 La6 La2 La1 La3 Cell Hình 2.5. Phân thành các ô từ 1 vùng định vị MSC VLR La9 La5 La8 La7 La4 La6 La2 La1 La3 Hình 2.6. Phân vùng phục vụ từ 1 vùng phục vụ 2.3. Sử dụng tần số và mẫu sử dụng lại tần số 2.3.1. Sử dụng tần số và phổ tần số 2.3.1.1. Sử dụng tần số Thông tin di động bị hạn chế về tần số, vì vậy sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến là yếu tố quan trọng nhất để phục vụ càng nhiều thuê bao càng tốt. Các phương pháp để sử dụng hiệu quả tần số: - Giảm độ rộng bằng tần số của 1 kênh càng nhiều càng tốt. - Sử dụng hiệu quả các kênh vô tuyến bằng cách tạo ra khả năng cho nhiều đầu cuối sử dụng chung nhiều kênh vô tuyến trong 1 ô vô tuyến. - Sử dụng lại tần số đã dùng trong 1 ô vào 1 ô vô tuyến bằng cách giữ ô này cách nhau lớn hơn 1 khoảng cách nhất định. - Cực tiểu hoá kích thước ô. 2.3.1.2. Phổ tần số Thông tin di động chỉ được ấn định 1 băng tần hẹp với phổ tần số rất chật. Điều này buộc ta phải sử dụng băng tần 1 cách hiệu quả. Mỗi ô trong mạng tế bào yêu cầu ít nhất 1 sóng mang song công. Một sóng mang có 1 cặp tần số vô tuyến, mỗi tần số được sử dụng theo mỗi hướng phát và thu sao cho thông tin được theo hai hướng 1 cách đồng thời. Để tránh giao thoa, phải có khoảng tần số phân cách giữa phát và thu. Vì băng tần hẹp nên không đủ các tần số cho mỗi ô để có được một sóng mang khác nhau, các tần số phải được tái sử dụng, nghĩa là khi 2 trạm gốc ở cách nhau 1 khoảng đủ lớn thì có thể sử dụng cùng 1 sóng mang. Bằng cách sử dụng lại tần số, nhiều cuộc gọi hơn có thể được tạo ra, tăng dung lượng hệ thống. 2.3.2. Mẫu sử dụng lại tần số Nguyên lý cơ sở khi thiết kế các hệ thống tế bào là xác định các mẫu, được gọi là các mẫu sử dụng lại tần số. Sử dụng lại tần số là sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng 1 tần số sóng mang đủ phủ cho các vùng địa lý khác nhau, các vùng này phải được cách nhau ở cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh C/I có thể chấp nhận được. Mẫu sử dụng lại tần số được ký hiệu là N/M. Trong đó N là số vị trí đặt site, M là số tần số sử dụng. Với R là bán kính cell sử dụng lại tần số và D là khoảng cách giữa 2 cell sử dụng chung tần số, để hạn chế tỷ số C/I thì phải thoả mãn: D/R = (3M)1/2 ã A ã B ã C ã D ã D ã E ã F ã G Trong mạng thông tin di động có 3 mẫu sử dụng lại tần số như sau: * Mẫu 3/9 D = 5,2R * Mẫu 4/12 D = 6R * Mẫu 7/12 D = 7,9R Mạng GSM của Mobiphone sử dụng mẫu 4/12 - Mô hình 3/9: Sử dụng nhóm 9 tần số trong 1 mẫu sử dụng lại tần số 3 đài. - Mô hình 4/12: Sử dụng nhóm 12 tần số trong 1 mẫu sử dụng lại tần số 4 đài. - Mô hình 7/12: Sử dụng nhóm 21 tần số trong 1 mẫu sử dụng lại tần số 7 đài. Mô hình sử dụng lại tần số 4/12: C3 C2 C1 B3 B2 B1 D3 D2 D1 A3 A2 A1 B3 B2 B1 C3 C2 C1 A3 A2 A1 D3 D2 D1 C3 C2 C1 B3 B2 B1 * Chỉ định kênh cho mẫu sử dụng lại tần số. Nguyên tắc chỉ định kênh cho các mẫu sử dụng lại tần số là các tần số sóng mang trong cùng 1 BTS phải cách nhau M sóng mang và các tần số trong cùng 1 trạm (site) hay cùng vị trí phải cách nhau N sóng mang. Do băng tần của GSM là hạn chế do đó các nguyên tắc trên dẫn đến số sóng mang trong 1 cell là hạn chế làm giảm khả năng phục vụ của cell. Dưới đây là bảng chỉ định cho mẫu 4/12. Nhóm các tần số A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 Các kênh 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Nhận xét: Mẫu 4/12 sử dụng nhóm 12 tần số: A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3, D1, D2, D3. Trong đó được phép sử dụng 4 đài (site): A, B, C, D. Ví dụ: Tần số 1 và 13 ở cell A1, cách nhau 12 sóng mang. Tần số 1 và 5 ở site A cách nhau 4 sóng mang. * Khả năng áp dụng: - Mô hình 4/12: Số kênh trong 1 cell nhỏ hơn do đó sử dụng cho các vùng mật độ trung bình. Các vấn đề nhiễu đồng kênh ở đây không đáng ngại. Mô hình này có thể cho phép mở rộng kích thước cell phù hợp với mật độ trung bình và ít nhà cao tầng. Có thể phục vụ INDOOR và INCAR. 2.4. Các số nhận dạng trong GSM. - Số ISDN trạm di động MSISDN. Theo khuyến nghị của CCITT, số thuê bao di động dùng khi quay số được cấu tạo như sau: MSISDN = CC + NDC + SN CC: Mã quốc gia NDC: Mã vùng quốc gia SN: Số thuê bao di động. Độ dài của MSISDN có thể thay đổi tuỳ theo từng quốc gia, nhà khai thác nhưng tối đa không vượt quá 15 chữ số. - Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI. Để nhận dạng chính xác trên đường vô tuyến cũng như trong các mạng PLMN, 1 số nhận dạng được chỉ định cho thuê bao di động. Số này được gọi là số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI và được sử dụng trong mọi thuê bao GSM. Số này sẽ được lưu trữ trong thẻ SIM gắn vào máy di động cũng như trong cơ sở dữ liệu của HLR khi thuê bao đăng ký và ghi trong VLR. Cấu trúc của IMSI: IMSI = MCC + MNC + MSIN MCC: Mã quốc gia di động MNC: Mã mạng di động MSIN: Số nhận dạng thuê bao di động. Trong các cơ sở dữ liệu của GSM, IMSI là địa chỉ của mọi thông tin liên quan đến thuê bao di động. - Số Roaming của thuê bao di động MSRN. Bộ ghi định vị thường trú HLR nơi thuê bao di động đăng ký để định tuyến cuộc gọi cần phải biết MS hiện đang ở vùng phục vụ MSC/VLR nào và số thuê bao (tạm thời) trong vùng đó. Khi định tuyến cuộc gọi, HLR yêu cầu VLR nơi thuê bao đang định vị cung cấp số tạm thời này để GMSC chuyển hướng cuộc gọi tới tổng đài MSC tương ứng. Số tạm thời này gọi là số Roaming của thuê bao di động MSRN. Chức năng hỏi định tuyến cuộc gọi này thuộc phần ứng dụng di động MAP. Các dữ liệu trao đổi giữa các phần tử mạng đều dùng báo hiệu số 7. Theo khuyến nghị GSM, số Roaming của thuê bao di động có cấu trúc như sau: MSRN = CC + NDC + SN CC: Mã quốc gia NDC: Mã vùng nhận trong nước SN: Số thuê bao. - Số nhận dạng tạm thời của số thuê bao di động TMSI. Được sử dụng cho sự bảo mật thuê bao. Số này được cung cấp cho MS bởi MSC hiện thời và chỉ có ý nghĩa trong vùng này. Số TMSI được dùng trong thuật toán mã hoá số liệu cấu trúc của MSI tuỳ chọn theo nhà khai thác hệ thống GSM. Thông thường TMSI bao gồm không quá 4 octet. - Số nhận dạng thiết bị trạm di động quốc tế IMEI. IMFI được sử dụng cho việc nhận dạng thiết bị. Mỗi trạm di động tương ứng duy nhất với 1 số IMEI do nhà sản xuất đặt. Theo GSM, cấu trúc của IMEI như sau: IMEI = TAC + FAC + SNR + SP TAC: Mã công nhận kiểu máy FAC: Mã nhận dạng nhà sản xuất SNR: Số sai SP: Dự phòng - Số nhận dạng vùng định vị LAI. LAI được sử dụng cho thủ tục cập nhật vị trí thuê bao di động. Số nhận dạng này bao gồm: LAI = MCC + MNC + LAC MCC: Mã quốc gia di động MNC: Mã mạng di động LAC: Mã vùng định vị. Độ dài cực đại của MAC là 16 bít nhị phân, cho phép phân biệt 65.535 vùng định vị khác nhau trong 1 mạng GSNT PLMN (vùng định vị là vùng gồm 1 số ô nhất định mà thông tin quảng bá tìm gọi được phát như nhau trong các ô đó). - Số nhận dạng ô toàn cầu CGI. CGI được sử dụng cho nhận dạng ô trong 1 vùng định vị. Cấu trúc của số nhận dạng này bao gồm LAI và số nhận dạng ở CI: CGI = MCC + MNC + LAC + CI MCC: Mã quốc gia di động MNC: Mã mạng di động CI: Nhận dạng ô. 3. Chu trình cuộc gọi. 3.1. Các thông tin khi thiết lập cuộc gọi. Kết nối 1 cuộc gọi tới thuê bao di động luôn được định tuyến tới GMSC, ở đó sẽ tiếp tục định tuyến tới MSC hiện thời của MS. Sau khi GMSC thăm dò trong HLR để tìm vùng định vị của MS, hỏi số Roaming của MS nó sẽ gửi thông báo địa chỉ khởi đầu tới MSC hiện thời. Trong thông báo này có số MSIN và yêu cầu thiết lập cuộc gọi. 3.2. Cập nhật vị trí. Khi MS đang ở trạng thái bật máy, rỗi và chuyển động theo 1 phương tiện liên tục, nó được khoá đến 1 tần số nhất định có các kênh quảng bá BCCH và kênh điều khiểu chung CCCH chứa các thông báo tìm gọi và các thông tin hệ thống ở khe thời gian TSO. Khi rời xa BTS đang quản lý nó, cường độ tín hiệu được thu sẽ giảm dần. ở 1 điểm gần biên giới lý thuyết giữa 2 ô cường độ tín hiệu thu sẽ giảm dần đến mức MS quyết định chuyển sang tần số mới thuộc 1 trong các ô lân cận có cường độ lớn hơn tần số cũ. Sau khi tự khoá đến tần số mới này MS lại tiếp tục nghe các thông báo tìm gọi và các thông tin hệ thống mới. Quyết định về việc thay đổi tần số vô tuyến của MS không cần thông báo đến mạng, trừ khi tần số mới và cũ không thuộc cùng 1 vùng định vị LA. MS biết được điều này khi tìm hiểu số nhận dạng vùng định vị LAI trong thông tin hệ thống phát trên các kênh quảng bá BCCH. Khi có chuyển từ vùng LAI này sang vùng LAI khác, MS sẽ thâm nhập mạng để cập nhật vị trí của mình ở MSC/VLR. Đó là quá trình cập nhật vị trí. Có 2 trường hợp phải cập nhật vị trí là: - Di chuyển giữa các vùng định vị khác nhau cùng 1 MSC/VLR. Vùng định vị của MS được ghi ở VLR. Vì MS không chuyển đến vùng phục vụ MSC/VLR mới nên quá trình cập nhật vị trí là MS gửi thông báo yêu cầu cập nhật vị trí và giá trị LAI mới, MS tiếp nhận thông báo cập nhật giá trị mới này trong cơ sở dữ liệu của VLR và gửi thông báo xác nhận cập nhật vị trí. Đây là quá trình chuyển giao hand over. - Roaming giữa 2 vùng phục vụ MSC/VL._.R. MS gửi thông báo yêu cầu cập nhật vị trí cho MSC/VLR mới cùng với các số nhận dạng của nó. MSC/VLR sẽ gửi các thông tin này đến HLR của mạng yêu cầu nhận thực. Sau khi HLR gửi thông báo xác nhận thuê bao là hợp lệ, đã đăng ký trong mạng MSC/VLR hiện thời, đồng thời xoá giá trị cùng phục vụ MSC/VLR cũ và thay bằng giá trị mới. VLR cũng ghi các số liệu của MS vào cơ sở dữ liệu của nó như là 1 thuê bao tạm thời, cấp cho MS 1 số nhận dạng trạm di động tạm thời TMSI và gửi thông báo xác nhận cập nhật vị trí cho MS. ẩ ( PSTN HLR VLR 7 BTS BSC MSC (RACH) (SDCCH) (TCH) Hình 2.7. Trình tự cuộc gọi 3.3. Cuộc gọi từ MS. - Giả sử rằng MS đang hoạt động ở trạng thái rỗi, người sử dụng quay tất cả các chữ số của thuê bao B và bắt đầu các thủ tục của cuộc gọi bằng cách ấn phím "nhấc máy". Khi đó MS sẽ gửi đi 1 thông báo đầu tiên trên kênh thâm nhập ngẫu nhiên RACH để yêu cầu 1 kênh điều khiển dành riêng DCCH ấn định cho MS đó. MSC nhận thông báo này, yêu cầu BSC cấp cho MS 1 kênh điều khiển dành riêng độc lập SDCCH để cho các thủ tục nhận thực và đánh dấu các trạng thái bận cho thuê bao này để tránh việc phát các thông báo tìm gọi lúc này. BSC gửi thông báo chấp nhận thâm nhập kênh cho phép thâm nhập AGCH cho MS trong đó có thông tin về kênh SDCCH. Các số nhận dạng được MS gửi đến MSC/VLR trên kênh SDCCH cho các thủ tục nhận thực. Nếu thuê bao chủ gọi là hợp lệ, đã đăng ký sử dụng mạng PLMN, MSC/VLR sẽ chấp nhận yêu cầu thâm nhập. - Tiếp theo, MS gửi thông báo thiết lập cuộc gọi và các chữ số của thuê bao bị gọi MSC định tuyến cuộc gọi tới GMSC hay không tuỳ theo thuê bao bị gọi là di động hay cố định, số của nó sẽ được phân tích trực tiếp ở GMSC hoặc được tiếp tục định tuyến đến tổng đài quá giang của mạng di động PLMN. Khi kênh nối đã sẵn sàng, thông báo thiết lập cuộc gọi từ MS được MSC công nhận và cấp cho MS 1 kênh TCH riêng, sau đó là đợi tín hiệu khẳng định từ thuê bao bị gọi. 3.4. Gọi đến MS Ta lấy ví dụ về 1 cuộc gọi từ thuê bao chủ gọi của mạng cố định PSTN tới thuê bao bị gọi của mạng di động GSM - PLMN: - Thuê bao bị chủ gọi quay mã quốc gia, mã vùng trong nước theo sơ đồ đánh số của mạng cố định PSTN để đạt được mạng di động PLMN. Nối thông được thiết lập từ tổng đài nội hạt của thuê bao chủ gọi tới GMSC của mạng di động PLMN. ở GMSC sẽ phân tích số ISDN trạm di động bị gọi - MSISDN do thuê bao chủ gọi quay. - Bằng chức năng hỏi đáp dùng tín hiệu số 7, GMSC gửi số MSISDN cùng yêu cầu về số nhận dạng trạm di động MSIN của thuê bao bị gọi tới HLR. HLR dịch số MSISDN sang số nhận dạng thuê bao di động IMSI, gửi IMSI này đến vùng VLR vùng phục vụ hiện thời của MS (giá trị vùng phục vụ này được ghi trong trường dữ liệu của MS trong HLR) yêu cầu cung cấp số MSIN của MS VLR gửi trở lại cho MS số MSIN. HLR lại gửi MSIN đến cho GMSC. Căn cứ vào số MSIN, GMSC sẽ tiếp tục định tuyến cuộc gọi tới vùng phục vụ nơi MS hiện đang có mặt. MSC này hỏi VLR của nó vùng định vị của MS theo địa chỉ IMSI, VLR cung cấp số nhận dạng vùng định vị LAI, ngoài ra VLR còn kiểm tra các cờ xem MS đang xâm nhập mạng hay rời mạng, bận hay rỗi. - Nếu MS đang ở trạng thái nhập mạng và rỗi, MSC gửi thông báo tìm gọi đến BSC chứa vùng định vị có số nhận dạng LAI. BSC gửi tiếp thông báo này đến tất cả các BTS trong vùng định vị để các BTS phát quảng bá thông báo tìm gọi này trên các kênh tìm gọi PCH. - Khi trạm di động rỗi và đang nghe kênh PCH phát quảng bá ở 1 trong số các ô trong vùng định vị, nó sẽ nhận được thông báo tìm gọi, nhận dạng IMSI trong thông báo này và trả lời thông báo tìm gọi. Tiếp đó là các thủ tục thiết lập cuộc gọi, ấn định kênh,... và sau khi được cung cấp cho 1 kênh lưu lượng TCH cuộc gọi bắt đầu được nối thông. 3.5. Thủ tục rời mạng. - Khi tắt nguồn máy hoặc ra khỏi vùng phủ, MS sẽ gửi 1 thông báo cuối cùng chứa yêu cầu cho thủ tục rời mạng và các số nhận dạng của nó. - Khi thu được thông báo này MSC/VLR sẽ đánh dấu cờ rời mạng và các số nhận dạng của nó vào địa chỉ IMSI tương ứng trong VLR. Trường hợp này HLR không được thông báo và cũng không có thông báo xác nhận cập nhật vị trí gửi tới MS. - Khi có cuộc gọi kết cuối ở MS này vì có cờ rời mạng nên thông báo tìm gọi sẽ không được phát ra làm giảm tải trên các trung kế và kênh quảng bá. Chương II Giao tiếp vô tuyến Um của hệ thống GSM 1. Giới thiệu chung ẩ ẩ ẩ ớ ð ợ ù B T S ớ ð ợ ù B T S ớ ð ợ ù B T S Giao diệnvô tuyến Giao diện Abis Giao diện A BSC NSS BSS ớ ð ợ ù ớ ð ợ ù ớ ð ợ ù : OSS Giao diện vô tuyến là giao diện phức tạp và đặc thù nhất của một hệ thống thông tin di động tổ ong. Nó là giao tiếp giữa trạm di động MS và trạm thu phát gốc BTS. Giao tiếp sử dụng phương pháp đa truy cập FDMA và TDMA, với 1 khung TDMA sử dụng 1 tần số sóng mang. Mỗi khung gồm 8 khe thời gian (TS). Mỗi khe thời gian là 1 kênh vật lý song công mang kênh logic. Kênh logic có thể là kênh điều khiển hoặc kênh lưu lượng. Hình 3.1. Các giao diện trong GSM Phân đoạn Mã hoá tiếng Mã hoá kênh Ghén xen Mật mã hoá Lập khuôn cụm Điều chế Giải mã tiếng Giải mã Veterbi Giải mã ghép xen Giải mật mã Cân bằng Veterbi Máy thu/giải điều chế 3 KHz 160 mẫu13 bit 260 bit/20ms 228bit/s 456 bit/20ms 228 Kbit/s 270 Kb/sở khe TS A/D D/A Hình 3.2. Xử lý tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến ở MS Quá trình xử lý các tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến được trình bày ở lớp vật lý 1 trong các khuyến nghị của GSM. ở hướng phát, đầu tiên, âm thanh qua tương tự, qua micro đi vào bộ biến đổi analog/digital tần số 3 KHz. Tín hiệu số ở đầu ra được phân đoạn thành 160 mẫu chia làm 13 bit, rồi đưa vào mã hoá tiếng để ghép thêm 1 số bít chống lỗi thành 260 bít trong 1 cụm thông tin là 20 ms. Sau đó, thông tin trong cụm lại qua 1 bước mã hoá nữa cũng nhằm mục đích thêm bít để phát hiện, hiệu chỉnh lỗi ở đầu thu, đó là bước mã hoá kênh. Tín hiệu sau này có dạng 456 bit/20ms, tức là 228 Kbit/s được mang ghép xen để chống mất cả cụm thông tin dài của cùng 1 kênh, mật mã hoá để bảo mật thông tin rồi qua lập khuôn cụm để đưa thông tin vào từng khe thời gian 270 Kbit/s ở 1 khe thời gian. Sau bước này, tín hiệu được điều chế phát vào không gian. ở hướng thu, sóng vô tuyến được thu ở máy thu, giải điều chế, qua bộ cân bằng Viterbi để xây dựng được mô hình kênh tại các thời điểm khác nhau, rồi qua lần lượt bộ giải mật mã, giải ghép xen, giải mã Viterbi, giải mã tiếng, bộ biến đổi digital/analog D/A ra ngoài loa. 2. Một số khái niệm. Trong GSM loại 900 MHz, giao tiếp vô tuyến sử dụng băng tần. - Đường lên từ MS đến BTS: 890,2 - 914,8 MHz. - Đường xuống từ BTS đến MS: 935,2 - 959,8 MHz. Tuy nhiên tuỳ theo từng nhà khai thác và điều kiện truyền sóng, có thể toàn bộ băng tần trên hay chỉ 1 phần được sử dụng. ở nước ta hiện nay hệ thống GSM đang sử dụng băng tần: đường lên 890,2 - 898,4 MHz và đường xuống 935,2 - 943,4 MHz. Với mỗi tần số sóng mang dải thông là 200 KHz, do đó trong GSM có 124 cặp tần số sóng mang. Trên mỗi sóng mang người ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo thời gian từ TS 0 đến TS 7 trong 1 khung TDMA. Như vậy số kênh vật lý trong GSM là 124 x 8 = 992 kênh. 2.1. Kênh vật lý. Một khe thời gian của 1 khung TDMA ở 1 sóng mang là 1 kênh vật lý, 1 khung TDMA có 8 khe thời gian (0...7), do vậy có 8 kênh vật lý ở 1 sóng mang. Hệ thống GSM PLMN được dành 124 sóng mang ở dải tần; 890 MHz đ 915 MHz đường lên (MS phát - BTS thu). 935 MHz đ 960 MHz đường xuống (BTS phát - MS thu). Khoảng cách giữa các sóng mang là 200 KHz với số kênh vật lý của GSM là: 8 x 124 = 992 kênh. 2.1.1. Tổ chức khung (Hình 3.3) Kênh lưu thông và kênh điều khiển được sắp xếp trong đa khung, siêu khung và sâu siêu khung. Vì nguyên lý mật mã sử dụng 1 thông số là số khung TDMA, BTS phải đánh số các khung ở dạng chu trình. ở GSM số khung được chọn là 2715648 tương ứng với 3h28 min 53S760ms. 1 sâu siêu khung = 2048 siêu khung = 2715648 khung TDMA. - Mỗi siêu khung có độ lâu 6,12s chứa 1326 khung TDMA (6,12s). Siêu khung tiếp tục được chia thành các đa khung. Có 2 loại đa khung: + Đa khung 26 khung chứa 26 khung TDMA, được sử dụng để mang kênh lưu lượng TCH và kênh điều khiển dành riêng ấn định cho 1 MS khi nó đã được cấp phát kênh lưu lượng (SACCH + FACCH). 1 siêu khung = 51 đa khung (26 khung). + Đa khung 51 khung chứa 51 khung TDMA, được sử dụng để mang kênh quảng bá thông tin cho mọi MS trong cùng phục vụ BCCH và kênh điều khiển chung riêng cho từng ứng dụng CCCH. 1 sâu khung = 26 đa khung (51 khung). 1 khung TDMA = 8 khe thời gian. 2.1.2. Cụm thông tin (hình 3.3). Khuôn mẫu thông tin ở 1 khe thời gian trên 1 kênh TDMA được gọi là 1 cụm, nghĩa là trong các khoảng thời gian đồng đều (cứ 8 khe thời gian 1 lần ở kênh TDMA) ta gửi đi 1 cụm của 1 loại thông tin xét từ MS (thông tin là tiếng, số liệu, thông tin điều khiển). Có 5 loại cụm sau: a. Cụm bình thường. Cụm này được sử dụng để mang thông tin lưu thông ở kênh lưu lượng TCH và các kênh điều khiển trừ kênh thâm nhập ngẫu nhiên RACH, kênh đồng bộ SCH và kênh hiệu chỉnh tần số FCCH. Cụm này bao gồm 156,25 bit trong 1 khe thời gian (0,577ms). Trong đó: - Các bít được mật mã: các bít số liệu được mã hoá gồm 57 bít số liệu hay tiếng được mật mã và 1 "cờ lấy cắp" chỉ thị cụm này có bị chiếm dụng cho báo hiệu kênh điều khiển dành riêng liên kết nhau FACCH hay không. Như vậy trong 1 cụm gồm 57 x 2 = 114 bít số liệu. - Chuỗi hướng dẫn (traiming sequence) gồm 26 bít, là 1 mẫu bít biết trước để độ cân bằng có thể thành lập 1 mô hình kênh (khi biết chuỗi vào và đáp ứng ra). Chuỗi này được đặt giữa vì kênh này luôn luôn thay đổi, đặt ở giữa để kênh này không quá khác khi nó tác động lên chuỗi hướng dẫn so với khi nó tác động lên các bít thông tin. Nếu ta đặt chuỗi hướng dẫn ở đầu mỗi cụm, mẫu kênh tạo ra sẽ không đúng với các bít ở cuối cụm. - Khoảng bảo vệ (guard period) là khoảng trống để đảm bảo thông tin trong các khe thời gian khác nhau của cùng 1 sóng mang không chồng lấn lên nhau trong quá trình truyền dẫn. - Các bít đuôi TB luôn luôn là (0, 0, 0) các bít này giúp bộ cân bằng biết đâu là bít đầu và bít cuối của mẫu bít, vì thuật toán ở bộ cân bằng cần điểm khởi đầu và kết thúc. b. Cụm hiệu chỉnh tần số. Cụm này được sử dụng để điều chỉnh tần số của trạm di động. Nó tương đương như sóng mang không bị điều chế. - Các bít cố định đều là không (0). Bộ điều chế sẽ cung cấp 1 sóng mang không bị điều chế. - Các bít đuôi TB và khoảng bảo vệ giống như cụm bình thường. - Cụm có độ dài 0,577ms tương ứng 156,25 bít. c. Cụm đồng bộ. Cụm này sử dụng để đồng bộ thời gian của trạm di động. Nó chứa 1 chuỗi đồng bộ dài 64 bit dễ dàng nhận biết và mang thông tin của số khung TDMA cùng mã nhận dạng trạm cơ sở BSIC ở 39 x 2 = 78 bít được mật mã. Cụm này mang thông tin cho kênh đồng bộ SCH. Số khung TDMA: 1 trong số tính năng của GSM là bảo vệ thông tin của người sử dụng, có nghĩa là để chống nghe trộm. Điều đó được thực hiện nhờ mật mã hoá thông tin trước khi phát. Thuật toán để mật mã sử dụng số khung TDMA như 1 thông số đầu vào, thế nên mỗi khung phải có 1 số khung. Sơ đồ đánh số khung là 1 chu trình 3,5 giờ, tức là 2715648 khung TDMA. Khi biết số khung TDMA trạm di động sẽ biết loại kênh logic nào được truyền ở kênh điều khiển TS 0. - Các bít đuôi TB và khoảng bảo vệ GP giống như cụm bình thường. - Cụm có độ dài 0,577 ms tương ứng 156,25 bít. d. Cụm thâm nhập. Cụm thâm nhập mang kênh thâm nhập ngẫu nhiên RACH phát đi từ MS để thâm nhập ngẫu nhiên, cụm ngắn hơn cụm bình thường vì phải dành 1 khoảng trống bảo vệ, nguyên nhân là do khi mới thâm nhập hệ thống hay sau khi chuyển giao đến BTS mới MS chưa được đồng bộ, chưa nhận được thông tin định thời trước để bù cho thời gian truyền dẫn vô tuyến mà chỉ căn cứ vào thời điểm nhận thông báo tìm gọi do đó tại trạm gốc BTS khung có thể trượt về trước hoặc sau. - Cụm bít bảo vệ dài hơn so với các cụm khác (68,25 bít) để không chồng lấn cụm này với khe thời gian tiếp theo. - Có 1 chuỗi đồng bộ 41 bít, các bít được mật mã 36 bit, các bit đuôi giống cụm bình thường. e. Cụm giả. Cụm giả được phát đi từ BTS nếu kênh điều khiển chung CCCH ở TS 0 hoặc TS 1-7 không được sử dụng. Cụm này không mang thông tin, mẫu khuôn giống như cụm bình thường với các bít mật mã được thay bằng các bít hỗn hợp có 1 mẫu bít xác định: 0 1 2 3 4 2044 2045 2046 2047 0 1 2 3 47 48 49 50 1 siêu khung = 1326 khung TDMA (6,12s) 0 1 24 25 0 1 2 3 22 23 24 25 0 1 2 3 47 48 49 50 1 đa khung (51 khung) = 51 khung TDMA(3060/13ms) 0 1 2 3 4 5 6 7 1 khung TDMA = 8 khe thời gian(120/26 ằ 4,615ms) TB3 57 bit được mật mã hoá F1 Chuỗi hướng dẫn 26 bit F1 57 bit được mật mã hoá TB3 GP 8,25 1 khe thời gian = 156,25 bit(15/26 ằ 0,577ms) TB3 124 bit cố định TB3 GP 8,25 Cụm bình thường (cờ F chỉ tương ứng với TCH) TB3 39 bit được mật mã hoá Chuỗi đồng bộ 64 bit 39 bit được mật mã hoá TB3 GP 8,25 Cụm đồng bộ (SB) Cụm hiệu chỉnh tần số (FC) TB3 Chuỗi đồng bộ: 41 Các bit được mật mã 36 TB3 GP 68,25 Cụm thâm nhập (AB) TB3 Các bít hỗn hợp 58 Chuỗi hướng dẫn 26 bit Các bít hỗn hợp 58 TB3 GP 8,25 Cụm giả (DB) 1 siêu siêu khung = 2048 siêu khung = 2715648 khung TDMA (3 giờ 28 phút 53 giây 760 ms) đa khung (26 khung) = 26 khung TDMA (120ms) Hình 3.3. Tổ chức khung và cụm Ký hiệu: TB: Bit đuôi; F: Cờ lấy trộm; GP: Đoạn bảo vệ 2.2. Kênh logic. Kênh logic chứa các thông tin truyền trên giao diện vô tuyến là loại thông tin trao đổi giữa BTS và MS. Các kênh logic được sắp xếp ở những kênh vật lý nhất định và trong những khoảng thời gian nhất định của quá trình trao đổi thông tin. Dựa vào loại thông tin mang trên kênh logic, người ta chia làm 2 loại kênh logic là: Hướng lên MS - BTS TD: Phân chia theo thời gian Hướng đường xuống BTS - MS FD: Phân chia theo tần số ẩ ớ ð ợ ù Kênh lưu lượng thông tin của người sử dụng Kênh Bm13/Kbit/s Kênh Lm tốc độ bit thấp hơn Bm Kênh quảng bá (BCCH) thông tin cho tất cả MS Kênh thâm nhập ngẫu nhiên để yêu cầu DCCH Kênh cho phép thâm nhập (AGCH) ấn định bắt đầu 1 kênh DCCH Kênh tìm gọi (PCH): tìm gọi thuê bao Kênh dành riêng đứng 1 mình cho đến khi TCH đượcấn định Kênh Đ/K dành riêng liên kết nhanh (FACCH) ấn định cho từng TCH Kênh Đ/K dành riêng (SACCH) ấn định cho tầng TCH và SDCCH liên kết chậm Kênh ĐK chung (CCCH) riêng cho từng ứng dụng Kênh ĐK dành riêng (DCCH) ấn định cho 1 MS Kênh điều khiểncho báo hiệu Kênh (CH) ghép TD ghép FD Ký hiệu: + Kênh lưu thông TCH (Traffic Channel). + Kênh báo hiệu điều khiển (Control Channel). Hình 3.4. Cấu trúc các kênh logic ở giao diện vô tuyến 2.2.1. Kênh lưu lượng TCH Kênh lưu lượng là kênh được sử dụng cho các dịch vụ thoại, số liệu, dùng cho cả là đường lên và đường xuống, điểm tới điểm. Có 2 loại kênh lưu thông: * Tiếng thoại: - BM hay TCH toàn tốc (TCH/F) mang thông tin tiếng hoặc số liệu, tốc độ truyền dẫn 13 Kb/s. - LM hay TCH bán tốc (TCH/H) mang thông tin, tốc độ truyền dẫn là 6,5 Kb/s. Hai kênh bán tốc mới chiếm 1 kênh TDMA. * Số liệu: - 12 Kb/s cho tốc độ luồng cơ sở 9600 bit/s - 6 Kb/s cho tốc độ luồng cơ sở 4800 bit/s - 3,6 Kb/s cho tốc độ luồng cơ sở Ê 2400 bit/s Để có thể truyền dẫn ở tốc độ 13 kb/s, 1 phương thức mã hoá tín hiệu thoại đặc biệt đã được sử dụng cho GSM là: - Tốc độ lấy mẫu 8000 mẫu/s - Mỗi mẫu được mã hoá 13 bit - 20ms tạo thành 1 cụm mã hoá 260 bít (13 Kb/s) - Mỗi cụm được chia theo mức độ quan trọng thành lớp: 182 bít quan trọng và 78 bít không quan trọng. - Để chống lại lỗi truyền dẫn, lớp 182 bít được mã hoá thành 378 bít. - Kết quả là 1 đoạn (20ms) bao gồm 456 bít (378 bít + 78 bít) được chia thành 8 khối 57 bít (8 x 57 bít). - Dòng số liệu được đi ở các khe thời gian TDMA. 2.2.2. Kênh báo hiệu điều khiển. Kênh báo hiệu điều khiển được chia thành 3 loại kênh là: kênh quảng bá, kênh điều khiển chung, và kênh điều khiển dành riêng. * Kênh quảng bá. Kênh quảng bá có 3 loại kênh: - Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Channel). Kênh này mang thông tin để hiệu chỉnh tần số cho các trạm MS, là kênh đường xuống điểm tới đa điểm. - Kênh đồng bộ SCH (Synchronous Channel): kênh này mang thông tin để đồng bộ khung cho trạm di động MS (số khung TDMA của MS) và nhận dạng BTS (BSIC). SCH là kênh đường xuống điểm tới đa điểm. - Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broad Cast Control Channel): kênh này phát quảng bá các thông tin chung về ô BCCH là kênh đường xuống, điểm tới đa điểm. * Kênh điều khiển chung CCCH: Kênh điều khiển chung có 3 loại kênh: - Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel): kênh này sử dụng để tìm gọi MS là kênh đường xuống, điểm tới đa điểm. - Kênh thâm nhập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel): kênh này cho MS sử dụng để truy nhập vào mạng, yêu cầu được dành 1 SPCCH. RACH là kênh đường lên, điểm tới điểm. - Kênh cho phép thâm nhập AGCH (Access Grant Channel): kênh này dùng để dành 1 SPCCH hay trực tiếp 1 TCH cho 1 MS, là kênh đường xuống điểm tới điểm. Tổng hợp của CCCH là (BCCH + PCH + AGCH) cho đường xuống và RACH cho đường lên. Kênh Tốc độ bit kbit/s Các kênh được cấp Chế độ hoạt động Bm 13 FACCH SACCH 2 hướng Lm <13 FACCH SACCH 2 hướng BCCH 0,782 ---- Đường xuống RACH 0,034 ---- Đường lên AGCH 0,782 ---- Đường xuống PCH 0,782 ---- Đường xuống SDCCH 0,782 SACCH Đường xuống SACCH 0,391 0,383 ---- 2 hướng FACCH 9,2 4,6 ---- 2 hướng Hình 3.5. Bảng tốc độ bít, các chế độ cấp phát và hoạt động của các kênh ở giao diện vô tuyến. * Kênh điều khiển dành riêng DCCH Kênh điều khiển dành riêng có 3 loại kênh: - Kênh điều khiển đứng riêng 1 mình SDCCH (Stand alone dedicuted control channel) kênh này được sử dụng dành riêng cho báo hiệu với 1 MS - SDCCH được sử dụng cho các thủ tục cập nhật và trong quá trình thiết lập cuộc gọi trước khi ấn định kênh lưu lượng TCH. Các thông tin này có thể là các thông số chuyển vùng, nhận thực, đăng ký, đo đạc vô tuyến SDCCH sử dụng cho cả đường lên và đường xuống, điểm tới điểm. - Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow associated control channel). Kênh này liên kết với 1 TCH hoặc 1 SDCCH. Đây là 1 kênh số liệu liên tục mang thông tin liên tục về các thông báo đo đạc từ các ô hiện thời và các ô lân cận như: các bản báo cáo đo lường về cường độ trường và chất lượng thu của ô hiện thời và các ô lân cận. Các thông báo này được chuyển về BSC để quyết định Handover ở đường xuống nó mang thông tin để hiệu chỉnh công suất phát của máy và thông số định trước để đồng bộ thời gian một số SACCH (456 bít kết quả đo đạc) được gửi đi với chu kỳ 480 ms trong 1 khe thời gian sử dụng cho TCH và SDCCH. SACCH sử dụng cho cả đường lên và đường xuống, điểm tới điểm. - Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (Fast associated control channel) FACCH liên kết với 1 TCH. Kênh này làm việc ở chế độ lấy cắp 1 cụm 20 ms của TCH khi tốc độ thông tin cần trao đổi lớn hơn khả năng của SACCH bằng cách thay đổi lưu lượng tiếng hay số liệu bằng báo hiệu. Nghĩa là nếu trong khi truyền dẫn bỗng nhiên cần trao đổi thông tin báo hiệu với hệ thống ở tốc độ lớn hơn so với SACCH, như trường hợp chuyển giao thì FACCH sẽ lấy cắp cụm bít (20 ms) trống số liệu sử dụng cho truyền dẫn báo hiệu. Người sử dụng vẫn không nghe thấy gián đoạn bởi vì bộ giải mã thay thế 20ms trống thiếu bằng 1 chuỗi bít nội suy FACCH sử dụng cho cả đường lên và đường xuống, điểm tới điểm. Các thủ tục báo hiệu sẽ được thực hiện ở kênh điều khiển dành riêng đứng 1 mình SDCCH chừng nào MS chưa được cấp phát 1 kênh lưu lượng TCH. Khi kênh TCH đã được cấp phát, báo hiệu chuyển sang kênh FACCH. Các kênh SACCH cấp cho SPCCH và TCH làm việc ở đường lên chủ yếu cung cấp cho BS kết quả đo của MS về công suất thu và chất lượng của các trạm BTS lân cận. Trong quá trình đang tiến hành cuộc gọi, các kết quả đo này cho phép mạng dựa trên tiêu chuẩn để quyết định khi nào thì bắt đầu chuyển giao. ở đường xuống SACCH mở rộng chức năng của các kênh BCCH bằng cách phát từ trạm gốc BS các thông tin bổ sung liên quan đến tất cả các trạm di động bên trong ô. I BCCH II CCCH III SCCCH + BCCH IV SDCCH + SACCH V Bm + FACCH + SACCH VI Lm + FACCH + SACCH VII Lm + Lm + FACCH + SACCH Hình 3.6. Các cấu hình kênh ở trạm di động - Cấu hình I áp dụng khi MS bật nguồn hay bị mất kết nối vật lý sau một thời gian dài. - Cấu hình I và III áp dụng khi MS hoạt động nhưng không yêu cầu các thủ tục xử lý cuộc gọi. - Cấu hình IV áp dụng khi yêu cầu 1 kênh báo hiệu nhưng chưa có kênh tiếng. - Cấu hình V, VI, VII áp dụng cho các nối thông bằng chuyển mạch. 2.3. Sắp xếp các kênh logic lên các kênh vật lý. Theo khuyến nghị, GSM chỉ được phép tổ hợp 1 số kênh logic nhất định. Tổ hợp các kênh vật lý cơ sở như sau (các chữ số trong ngoặc biểu thị các kênh con). a) TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF b) TCH/H (0,1) + FACCH/H (0,1) + SACCH/H (0,1) c) TCH/H (0) + FACCH/H (0) + SACCH/H (0) + TCH/H (1) d) FCCH + SCH + BCCH + CCCH e) FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4 (0..3) f) BCCH + CCCH l) SDCCH/8 (0..7) + SACCH/C8 (0..7) Trong đó: CCCH = PCH + AGCH + RACH SACCH/T : Kênh liên kết với kênh lưu lượng SACCH/C: Kênh liên kết với kênh điều khiển. Các tổ hợp (b) và (c) là cho hai loại MS khác nhau (kênh toàn tốc BM và kênh bán tốc LM). Tổ hợp (c) dành cho một MS sử dụng cả 2 kênh lưu lượng (BM và LM). Các tổ hợp khác nhau của các kênh cho ở các hình 3.7, 3.8, 3.9, 3.10. F S F S F S F S F S ẵ B C C C C C C C C C 0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 Các khung TDMA BCCH + CCCH (đường xuống) Hình 3.7. Ghép tổ hợp kênh (f) lên TS 0, đường xuống Trong đó: F: FCCH; S: SCCH; B: BCCH; C: CCCH (PCH hay AGCH); I: IDLE (để trống). ẵ ẵ ẵ D0 0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 Các khung TDMA SDCCH + SACCH (đường xuống) ẵ ẵ ẵ D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A0 A1 A2 A3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A4 A5 A6 A7 ẵ ẵ ẵ A5 0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 Các khung TDMA SDCCH + SACCH (đường lên) ẵ ẵ ẵ A6 A7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A1 A2 A3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 a) D7 A0 A4 T T T T T T T T T T T T A T T T T T T T T T T T T ẵ 0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2 Các khung TDMA TCH (TS2)(đường xuống) b) Hình 3.8. Ghép các tổ hợp lên kênh vật lý a) Ghép các kênh điều khiển dành riêng lên TS 1, tổ hợp kênh (1), đường xuống và lên. b) Ghép các kênh TCH, tổ hợp kênh (a). T T T T T T T T T T T T A T T T T T T T T T T T T ẵ Đa khung cho khung bán tốc (0,1) 26 khung = 120ms Đa khung cho kênh toàn tốc T T T T T T A T T T T T T T T T T T T T T T T T T A 0: 1: F S F S F S F S F S ẵ B C C C D0 D1 D2 D3 A0 A1 BCCH + CCCH + SDCCH + SACCH (đường xuống) F S F S F S F S F S ẵ B C C C D0 D1 D2 D3 A2 A3 R R R R R R R D3 A2 A3 R R R R D0 D1 D2 BCCH + CCCH + SDCCH + SACCH (đường lên) R R R R R R R R D3 A0 A1 R R R R D0 D1 D2 R ẵ ẵ ẵ ẵ ẵ ẵ ẵ ẵ ẵ ẵ ẵ B C C C C C C C C C Hình 3.9. Ghép các kênh logic vào kênh vật lý a) Các kênh lưu lượng bán tốc, tổ hợp kênh (a), (b), (c). b) Ghép tất cả các kênh logic điều khiển lên 1 khe thời gian. c) Tổ hợp các kênh (f) để mở rộng tìm gọi. 0 1 2 3 4 5 6 7 F D0 T S D0 T B D0 T B D0 T B D1 T B D1 T C D1 T C D1 T C D2 T C D2 T F D2 T S D2 T 13 C D3 A ẵ A ẵ A ẵ C D3 T C D3 T C D3 T C D4 T C D4 T C D4 T C D4 T F D5 T S D5 T C D5 T C D5 T C D6 T 26 C D6 A ẵ A ẵ A ẵ C D6 T C D6 T C D7 T C D7 T F D7 T S D7 T C A0 T C A0 T C A0 T C A0 T C A1 T C A1 T 39 C A1 A ẵ A ẵ A ẵ C A1 T F A2 T S A2 T C A2 T C A2 T C A3 T C A3 T C A3 T C A3 T C ẵ T C ẵ T 51 ẵ ẵ T ắ ắ ắ ắ ắ ắ ắ ắ s o n g m a n g C0 Đường xuống Khung 1 0 1 2 3 4 5 6 7 1 R A5 T T T T T T R A5 T R A5 T R A5 T R A6 T R A6 T R A6 T R A6 T R A7 T R A7 T R A7 T R A7 T 13 R ẵ A ẵ A ẵ A ẵ R ẵ T R ẵ T R D0 T R D0 T R D0 T R D0 T R D1 T R D1 T R D1 T R D1 T R D2 T R D2 T 26 R D2 A ẵ A ẵ A ẵ R D2 T R D3 T R D3 T R D3 T R D3 T R D4 T R D4 T R D4 T R D4 T R D5 T R D5 T R D5 T 39 R D5 A ẵ A ẵ A ẵ R D6 T R D6 T R D6 T R D6 T R D7 T R D7 T R D7 T R D7 T R A0 T R A0 T R A0 T 51 R A0 T ắ ắ ắ ắ ắ ắ ắ ắ Đường lên Hình 3.10. Sắp xếp các kênh logic ở kênh vật lý mang BCCH 2.4. Đo và nhảy tần. * Đo: Cách đo: Trong quá trình của 1 cuộc gọi, trạm di động liên tục báo cáo cường độ tín hiệu (qua kênh SACCH) của các BTS lân cận cho hệ thống. Đo cường độ tín hiệu của các BTS lân cận được trạm di động thực hiện khi nó không bận làm các công việc khác, nghĩa là trong khoảng thời gian giữa phát và thu ở khe thời gian dành cho nó (hình 3.11). Cường độ tín hiệu của BTS phục vụ trạm di động được đo khi thu ở khe thời gian dành cho MS. MS được thông báo phải đo các sóng mang BCCH nào thông qua thông tin hệ thống ở SACCH. Để đảm bảo đo đúng BTS cần thiết MS phải xác định được nhận dạng của BTS này. Nhận dạng của BTS được cho bởi giá trị BSIC được phát trên SDH ở TS 0/C0 (khe TS 0, tần số mang BCCH là C0). 0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2 ắ ắ ắ Các khung TDMA 24 25 Để trống 0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2 1 2 2 1 4 3 24 25 Để trống Hình 3.11. Vì thế trong thời gian khung rỗi ở đa khung cho TCH (26 khung TDMA), MS phải kiểm tra mã nhận dạng trạm gốc BSIC của các BTS lân cận. MS chỉ đo cường độ tín hiệu tương ứng với 6 BTS lân cận. Các hoạt động khác nhau của MS ở hình (3.11). (1) MS thu và đo tín hiệu ở BTS đang phục vụ nó (TS 2). (2) MS phát (3) MS đo cường độ tín hiệu ở 1 trong các ô lân cận (4) MS đọc BSIC trên kênh đồng bộ SCH (TS 0) cho 1 trong số các ô mạnh nhất. Nếu MS không đồng bộ với ô mà nó muốn nhận dạng, thì nó không tìm được TS 0 mang kênh quảng bá BCCH. Vì thế nó phải đo ở khoảng thời gian ít nhất là 8 khe thời gian để đảm bảo xác định chắc chắn TS 0 mang BCCH. Các đa khung trượt. MS chỉ đo ở khe TS 0 chưa đủ, nó còn phải tìm được kênh đồng bộ SCH ở khe này. Ta biết đa khung gồm SCH với 10 TS 0 phát đi mới có 1 SCH (xem ghép kênh logic và kênh vật lý). Như vậy, xác suất MS nghe thấy BCCH, CCCH cao hơn nghe thấy SCH. Để giải quyết vấn đề này, đa khung mang TCH được trượt so với đa khung mang kênh điều khiển (TCH nghe SCH tại các khung để trống IDLE). Đa khung TCH có tốc độ lặp là 26 khung TDMA, còn đa khung điều khiển có tốc độ lặp là 51 khung TDMA, nghĩa là khung để trống sẽ trượt dần ở tất cả các khung chứa kênh điều khiển ở TS 0 trong đa khung 51 khung và cuối cùng nó sẽ gặp được SDH. Hình bên cho thấy quá trình được gọi là đa khung trượt. Hai mũi tên ở sơ đồ đánh dấu 2 trường hợp khung IDLE (để trống) ở đa khung TCH gặp SCH ở đa khung điều khiển. Lưu ý rằng ở cuối đa khung điều khiển SCH không xuất hiện 10 khung 1 lần vì ở đây 1 khung IDLE được đưa vào, vì vậy trong trường hợp xấu nhất việc xác định BSIC rất trễ. MS phải có khả năng giải mã BSIC cho 6 ô mạch nhất trong 10 giây. Thậm chí trong trường hợp xấu nhất đối với 6 ô lân cận MS vẫn phải giải mã tất cả 6 BSIC trong 10 giây. * Nhẩy tần (hình 3.12) Nguyên lý: MS phát khe thời gian của mình theo 1 chuỗi tần số rút ra từ 1 thuật toán. Nhảy tần xảy ra giữa các khe thời gian, vì thế MS phát (thu) ở 1 tần số, một TS, sau đó nhảy đến tần số khác trước khi có khe TS này ở khung TDMA sau. Các tần số phát và thu luôn là song công, nghĩa là đường lên và đường xuống sử dụng cùng 1 chuỗi nhảy tần. Mục đích: Tại 1 vị trí, nếu MS đang dùng tần số f1. Tại tần số này nhiễu mạnh làm cho chất lượng tín hiệu giảm. Ta phải nhảy sang tần số khác, đảm bảo chất lượng tín hiệu. Trường hợp không nhảy tần là trường hợp đặc biệt của thuật toán nhảy tần. MS nhận được thông số nhảy tần trong thời gian thiết lập cuộc gọi và chuyển giao. Trong hình 3.12 ta thấy các kênh vật lý chứa BCCH không nhẩy và các khe khác nhau nhẩy khác nhau (ví dụ ở tần số C 0 và C 2). Tốc độ nhảy khoảng 217 lần/s. 0 1 2 3 4 5 6 7 . . . . . . . 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 Đường xuống (ô đang phục vụ) Đường lên (ô đang phục vụ) C0 C2 C1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 Đường xuống (các ô lân cận) C0' C2' C1' D0 E0 D0 D0 Hình 3.12. Nhảy tần. 2.5. Mã hoá kênh ở GSM. Mã hoá kênh được sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong luồng bít thu để giảm tỷ số bít lỗi (BER). ở các hệ thống thông tin di động người ta sử dụng 2 dạng mã kênh khác nhau: mã khối tuyến tính (Lincar Block Code) và mã xoắn được sử dụng để sửa lỗi. 2.5.1. Các mã khối tuyến tính GSM. ở loại mã này luồng thông tin được chia thành các khối có độ dài bằng nhau. Các bít dư được bổ sung vào khối theo 1 thuật toán nhất định phụ thuộc vào loại mã được sử dụng. Các mã khối được xác định bằng ba thông số: độ dài n, độ dài thông tin k và khoảng cách cực tiểu d. Các mã khối trong đó các bít bản tin xuất hiện ở phần đầu của khối được gọi là mã hệ thống. Tỷ số g = k/n được gọi là tỷ lệ mã. So đồ khối tổng quát của bộ mã hoá khối tuyến tính được biểu diễn ở hình 3.13. D1 D2 D3 D4 X0 X1 X2 X3 Dn-k Xn-k-1 CM2 (Đường hồi tiếp) Xn-k Kbít bản tin n bít từ mã CM1 Di : flip - flop D1 D2 D3 D4 X0 X1 X2 X3 Dn-k Xn-k-1 CM2 (Đường hồi tiếp) Xn-k Kbít bản tin n bít từ mã CM1 Di : flip - flop Hình 3.13. Sơ đồ khối tổng quát của bộ mã hoá khối tuyến tính (n - k) Bộ mã hoá ở 3.13 bao gồm các plip - flop tạo nên 1 thanh ghi dịch, 1 mạch hồi tiếp cơ hai thực hiện cộng Modul - 2 các số liệu ở đầu vào flip - flop theo quy luật được xác định bởi đa thức tạo mã (các đường nối với bộ cộng Modul 2 chỉ xảy ra khi hệ số của thành phần mũ tương ứng bằng 1). Các bít nhận được trong thanh ghi dịch chính là các bít kiểm tra của từ mã được gửi đi. Hoạt động của sơ đồ bộ tạo mã ở hình 3.13 như sau: * Đầu tiên các flip - flop được khởi tạo vào "0" , kháo CM1 và CM2 ở vị trí dưới. * k bít bản tin 1 mặt được đưa ra ngoài bộ mã hoá, 1 mặt được đưa lên t._. hoàn toàn độc lập với nhau. Không phải mọi kết nối MM đều đòi hỏi sự thực hiện các thủ tục nơi MM. Đây là điều trái ngược với quản lý tiềm năng vô tuyến, nơi mà mọi việc đều bắt đầu từ thiết lập kết nối RR và kết thúc bằng xoá bỏ kết nối này. (1). Trước hết ta xét các thủ tục MM đặc thù ở cấp phát lại TMSI. Các thủ tục này được thực hiện bằng cách báo hiệu (9), (10) ở lưu đồ cập nhật vị trí hình 3.39b. Trạm BS phát bản tin "lệnh cấp phát lại TMSI" (TMSI: Reallocation command) ở 1 khung trong DCCH chính (SDCCH hay kênh điều khiển liên kết nhanh). Bản tin này bao gồm cả TMSI mới và nhận dạng vùng định vị hiện thời (LAI). MS trả lời bằng "hoàn thành cấp phát lại MTSI" ở 1 khung i khác. (2). Đối với các thủ tục đặc thù MM dành cho nhận thức, báo cáo hiệu sao đây được thực hiện: (5), (6) ở lưu đồ trình bày phần đầu của cuộc gọi khởi xướng từ máy di động cho MOC, (6), (7) ở lưu đồ 3.35 cho MTC và (5), (6) ở lưu đồ 3.39b cho cập nhật vị trí. BS phát 1 khung i chứa bản tin "yêu cầu nhận thực" (Authentication) chứa số ngẫu nhiên (RAN, 1 phần của bộ nhận thực) và số chuỗi khoá mật mã (CKSN), chỉ số của bộ ba nhận thực ở số liệu thuê bao di động trong VLR). Từ RAND MS sẽ tính toán mật khẩu (SRES, 1 phần của bộ ba) và phát SRES đến BS ở bản tin trả lời "trả tin nhận thực" (Authentication respense). Sau đó từ RAND MS tình toán khoá mật mã (KC, phần cuối cùng của bộ ba) và ghi nhớ khoá này cùng với CKSN. ẩ ớ ð ợ ù I (yêu cầu nhận dạng) SDCCH I (trả lời nhận dạng) (1) (2) SDCCH (IMSI, TMSI, IMEI) (3). Mạng di động sử dụng nhận dạng để yêu cầu nhận dạng trạm di động hay thiết bị trạm di động (xem hình 3.42). Hình 3.42. Thủ tục nhận dạng Dưới đây là 2 ứng dụng quan trọng nhất: * Hỏi IMSI (nếu TMSI cung cấp cho MS không đủ hay không biết LAI) * Hỏi IMEI (để kiểm tra sự lệ thuộc của thiết bị di động). Trong mọi trường hợp BS gửi đi 1 bản tin I với "yêu cầu nhận dạng" (Identity request) chứa kiểu nhận dạng yêu cầu (IMSI, TMSI hay IMEI). MS trả lời "trả lời nhận dạng" (Identity response) có chức nhận dạng được yêu cầu). (4). ở thủ tục đặc thù MM cho rời bỏ IMSI (IMSI Detach) (xem hình sau) trạm MS phát đi bản tin "chỉ thị rời bỏ IMSI" khi tắt nguồn được thông báo lại bằng bản tin "chỉ thị rời bỏ IMSI" và được thông báo bằng bản tin "nhập lại IMSI" khi bật lại nguồn trong cùng 1 vùng định vị (phương án cập nhật vị trí đặc biệt, xem phần cập nhật vị trí). Nếu bật lại nguồn ở 1 vùng định vị khác trạm MS phải thực hiện thủ tục cập nhật vị trí bình thường. MS phát đi "chỉ thị rời bỏ IMSI" ở 1 khung i (nếu đã có 1 kết nối RR) hay SABM (nếu kết nối RR được thiết lập đặc biệt cho thủ tục rời mạng). Khung i chứa nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI) ở dạng thông số. Vì bản tin này là dấu hiệu cuối cùng về sự tồn tại của MS khi đã tắt nguồn, nên BS sẽ không trả lời mà sẽ xoá nội bộ kết nối RR và kết nối lớp 2. Khi này tất cả các tiềm năng được giải phóng. ẩ ớ ð ợ ù I/SABM (chỉ thị rời bỏ IMSI) SDCCH DCCH = SDCCH hay FACCH (Nhận dạng MS: IMSI hay IMSI Hình 3.43. Thủ tục rời mạng bình thường (5). ở các thủ tục đặc thù MM đặc thù dành cho cập nhật vị trí ta cần phân biệt 2 trường hợp sau: - Cập nhật vị trí bình thường: MS phát hiện sự thay đổi vùng định vị (thay đổi ô, LAI mới ở BCCH). - Cập nhật vị trí định kỳ: giám sát thời gian ở MS kết thúc. - Nhập IMSI: trước đây MS tắt nguồn và báo hiệu bằng bản tin "rời bỏ IMSI" bây giờ lại bật lại nguồn trong cùng vùng định vị. Trong mọi trường hợp trạm di động thiết lập 1 kết nối RR và phát đi bản tin "yêu cầu cập nhật vị trí" (Location update request) ớABM. SABM hay IMSI (đối với tích cực lần đầu) hay có thể TMSI đứng cuối cùng hoặc LAI đứng cuối cùng. Một thông số khác của bản tin là số chuỗi khoá mật mã (CKSN) từ lần nhận thức cuối cùng để cho phép mật mã hoá mà không cần nhận thực. Sau đó MS định nghĩa ở SABM kiểu cập nhật vị trí cần yêu cầu (bình thường, định kỳ, nhập IMSI) và yêu cầu tiếp theo, chẳng hạn có yêu cầu thiết lập 1 kết nối MM ngay sau cập nhật vị trí (vì dự định 1 cuộc gọi) hay không BS công nhận SABM bằng 1 UA. Bây giờ trên cơ sở LAI và TMSI, VLR sẽ xác định IMSI. Nếu không xác định được (không biết LAI hoặc VLR cũ không cung cấp TMSI hoặc VLR cũ phải khôi phục lại vì mất dữ liệu), BS thực hiện thủ tục nhận dạng (xem hình các thủ tục ở kênh SACCH trong quá trình kết nối) để đảm bảo chắc chắn IMSI của MS. Sau khi đã thiết lập IMSI, VLR có thể thông báo HLR và cấp phát một TMSI mới. TMSI mới được gửi đến MS ở dạng mật mã hoá. Để vậy phải khởi tạo 1 nhận thức mới hay VLR sử dụng cùng khoá mật mã với khoá ở lần gọi cuối cùng (được nhận dạng bởi (KSN) khi chế độ mật mã hoá đã tích cực: các trao đổi báo hiệu (3), (4) ở hình 3.39b cho cập nhật vị trí. Bây giờ BS phát đến MS 1 khung i cùng với bản tin "chấp nhận cập nhật vị trí" (Location update accepted): các trao đổi báo hiệu (9), (10) ở hình 3.39b. Các thủ tục đặc thù MM cho phép cập nhật vị trí nói trên được cho ở hình 3.44. ẩ ớ ð ợ ù SABM (yêu cầu cập nhật vị trí) SDCCH UA SDCCH (IMSI/TMSI + LAI cũ, CKSN, kiểu cập nhật vị trí, yêu cầu tiếp theo) [Nhận dạng] : nếu không biết LAI hoặc mất TMSI [Nhận thực] [Tích cực mật mã hoá] I (chấp nhận cập nhật vị trí) (TMSI mới, LAI mới, tiến trình tiếp tục ?) I (hoàn thành cấp phát lại TMSI) SDCCH SDCCH Hình 3.44. Các thủ tục đặc thù MM cho cập nhật vị trí Với trả lời này quá trình cập nhật vị trí đã hoàn thành. Bây giờ hoặc kết nối RR bị xoá (hình 3.38 hoặc MS thiết lập ngay 1 kết nối MM). Các kết nối MM có thể được thiết lập bởi MS hoặc BS. Sau đây là các điều kiện tiên quyết cho cả 2 trường hợp. - MS phải đăng ký trước vùng định vị (cập nhật vị trí đã thành công). Trừ trường hợp cuộc gọi khẩn luôn luôn được phép. - Tồn tại 1 kết nối RR. - Không 1 thủ tục đặc thù MM nào đang thực hiện. Nếu MS thiết lập kết nối MM thì nó sẽ phát đi bản tin "yêu cầu dịch vụ CM" (CM: Service request) ở SABM (nếu kết nối RR được thiết lập riêng cho kết nối MM) hay ở 1 khung i (nếu kết nối RR đã tồn tại: ngay sau khi cập nhật vị trí). Kiểu kết nối MM cần thiết (điều khiển cuộc gọi (CC), hỗ trợ dịch vụ bổ sung (SSS), dịch vụ bản tin ngắn (SMS) hay (dịch vụ khẩn) được truyền đi ở dạng thông số của bản tin cùng với CKSN nhận được từ lần nhận thực cuối cùng. Nếu phía mạng tiến hành tích cực chế độ mật mã hoá (xem (7), (8) ở hình 3.32) thì đây sẽ được coi như là sự khẳng định về kết nối MM đã được thiết lập. Việc thiết lập kết nối MM phải được khẳng định ở dạng tường minh bằng bản tin "chấp nhận dịch vụ CM" (ở 1 khung I không có thông số bổ sung) nếu chế độ mật mã hoá không được tích cực. Nếu BS thiết lập kết nối MM, nó sẽ thực hiện ở dạng ẩn tàng. Vì thế không có bản tin nào chỉ liên quan đến việc thiết lập kết nối MM được phát, thay vào đó BS phát đi 1 bản tin CM bất kỳ chưa liên quan đến 1 kết nối MM đã có, điều này được coi như là đã thiết lập kết nối MM. Các quá trình thiết lập kết nối MM được cho ở hình 3.45. ớ ð ợ ù SABM/I (yêu cầu dịch vụ CM) DCCH Tích cực mật mã hay DCCH (CDSN, kiểu kết nối MM được yêu cầu) I (tiếp nhận dịch vụ CM)(DCCH = SDCCH hay FACCH thiết lập bởi BS) ớ ð ợ ù I (bản tin CM chưa liên kết với kết nối MM) DCCH (DCCH = SDCH hay FACCH) Thiết lập bởi MS Hình 3.45. Thiết lập các kết nối MM Các kết nối MM luôn luôn được xoá nội bộ (không có trao đổi bản tin cho mục đích riêng này). 8. Quản lý nối thông. Quản lý nối thông là lớp con cao nhất trong các lớp con ở lớp 3. Các chuỗi xử lý cuộc gọi như: thiết lập và xoá cuộc gọi được xử lý ở lớp con này. Quản lý nối thông được chia thành 3 phần sau: điều khiển cuộc gọi (CC: Call control), hỗ trợ các dịch vụ đặc thù (SSS: Subplementary services suport) và dịch vụ bản tin ngắn (SMS: Short message service). ở quản lý nối thông cũng tồn tại các kết nối báo hiệu. Các kết nối báo hiệu (được gọi là các trao đổi: Transaction) được thiết lập giữa 1 trạm di động và mạng để điều khiển các thủ tục xử lý cuộc gọi (chẳng hạn các kết nỗi hữu ích). Một kết nối RR có thể mang được tới 4 kết nối MM, một kết nối MM có thể mang được tới 14 kết nối CM (trong số đó cực đại 7 được thiết lập bởi trạm MS và 7 được thiết lập bởi BS). Chẳng hạn nếu 1 đầu cuối di động đa chức năng có thể quản lý đồng thời 1 số kết nối hữu ích, thì báo hiệu của các kết nối hữu ích này được định tuyến qua kết nối MM cho điều khiển cuộc gọi nhưng từng kết nối hữu ích có kết nối CM riêng. Một kết nối CM (giao dịch) được đặc trưng bởi: - Việc liên kết của nó với 1 kết nối MM (CC, SSS, SMS hay cuộc gọi khẩn). - Một nhận dạng giao dịch (TI) 4 bít. Nhận dạng giao dịch gồm 1 cờ TI chỉ thị rằng giao dịch được thiết lập bởi trạm di động hay bởi mạng và 1 giá trị TI nằm trong khoảng từ 0 đến 6. Giá trị 7 để mở rộng TI lớn hơn 4 bít chưa được định nghĩa. Một kết nối CM được thiết lập bởi 1 bản tin tuỳ chọn có chứa một TI mới (chẳng hạn 1 bản tin có TI không được sử dụng cho kết nối MM tương ứng). Nếu trạm di động MS thiết lập kết nối CM thì kết nối MM luôn quan phải có. Tuy nhiên nếu phía mạng thiết lập kết nối CM nhưng chưa có kết nối MM liên quan thì thiết lập kết nối CM chứa thiết lập kết nối MM tương ứng. ẩ ớ ð ợ ù I (bản tin CC/SSS/SMS với TI mới) DCCH I (bản tin CC/SSS/SMS với TI mới) DCCH (Thí dụ: bản tin (10) ở MOC) (Thí dụ: đợi gọi) I (giải phóng) I (hoàn thành giải phóng) DCCH DCCH Thiết lập bởi BS Xoá CM (2) (1) Thiết lập CMThiết lập bởi MS- Thiết lập MM - Một kết nối CM được xoá bằng bản tin "giải phóng" (Release) được gửi từ trạm BS đến trạm BS và MS công nhận bằng bản tin "hoàn toàn giải phóng" (Release complete) (xem hình 3.46). Hình 3.46. Thiết lập và xoá kết nối CM Trong trường hợp MOC; MS thiết lập trao đổi bằng bản tin "thiết lập" (setup) (tiếp theo thiết lập MM): (10) ở hình 3.32 (xem hình các chuỗi CM cho MOC) (hình 3.47). Bản tin này có các thông số tuỳ chọn khác nhau. Sau đây là 1 số thí dụ: - Khả năng mang: dung lượng truyền dẫn mà mạng phải đảm bảo. - Các thông số để đảm bảo khả năng tương thích giữa thiết bị đầu cuối phía A và phía B. - Số thoại phía bị gọi. "Setup" cũng được sử dụng để yêu cầu các tính năng khác nhau (các dịch vụ bổ sung, chẳng hạn: thông báo cước). Phía mạng công nhận "setup" bằng "đang tiến hành gọi" (Call proceeding). Khi đã định vị thiết bị tương ứng ở phía bị gọi, mạng gửi đi "báo chuông" (aberting) (nghĩa là thuê bao bị gọi đang đổ chuông). Ngay sau khi phía bị gọi trả lời BS gửi bản tin "kết nối" (connect) đến MS và MS gửi bản tin trả lời "công nhận kết nối" (connect acknowledge). Tuỳ chọn OACSU (thiết lập cuộc gọi muộn) có nghĩa rằng kênh tiếng ở giao diện vô tuyến được cấp phát ở thời điểm muộn nhất. Nếu OACSU là tích cực, thì kênh tiếng (và kênh điều khiển liên kết nhanh tương ứng) chỉ được thiết lập ngay trước "kết nối" (khi đã đảm bảo rằng phía B trả lời) (xem hình 3.34). Nếu kết nối được thiết lập không có OACSU thì kênh tiếng đã được cấp phát ngay sau "đang tiến hành gọi" (xem hình 3.33). Sự khác nhau giữa thiết lập cuộc gọi có và không có OACSU thể hiện rõ ràng ở bản tin "báo chuông" (Alerting): ở MOC không có OACSU "báo chuông" được phát ở kênh điều khiển liên kết nhanh (vì TCH đã được cấp phát) còn ở MOC có OACSU "báo chuông" vẫn ở SDCCH. ở cả 2 trường hợp "thiết lập" và "đang tiến hành gọi" được phát trên SDCCH, nhưng "kết nối" và "công nhận kết nối" được phát ở kênh điều khiển liên kết nhanh. ớ ð ợ ù SDCCH I (báo chuông) I (kết nối) I (thiết lập) (khả năng mang, tương thíchsố thoại phía bị gọi, các tính năng) ẩ I (khẳng định gọi) I (công nhận kết nối) FACCH/SDCCH* FACCH/SDCCH* FACCH FACCH nếu không có OACSU (cấp phát kênh TCH sớm);SDCCH nếu có OACSU (cấp phát kênh TCH muộn). Hình 3.47. Các chuỗi CM cho MTC Trong trường hợp MTC phía mạng thiết lập trao đổi bằng bản tin "thiết lập" (xem hình các chuỗi CM cho MTC). Ngoài ra có thể có 1 số thông số ở bản tin này, chẳng hạn: số thoại phía chủ gọi hay các thông số để đảm bảo tính tương thích thiết bị đầu cuối. MS công nhận "thiết lập" bằng "khẳng định cuộc gọi". Khi thiết bị đầu cuối tương ứng đã được xác định MS gửi "báo chuông" (nghĩa là thuê bao đang đổ chuông). MS thông báo rằng phía bị gọi đã trở lời bằng cách gửi đi bản tin "kết nối" đến mạng và mạng trả lời bằng "công nhận kết nối". Nếu OACSU tích cực, thì phía mạng chỉ cấp phát kênh tiếng sau khi nhận được "kết nối" (vì trước đó chưa rõ ràng có thể thâm nhập đến thuê bao hay không). Nếu OACSU không tích cực thì kênh tiếng được cấp ngay sau khi "khẳng định cuộc gọi" (Call confirmed). Như vậy "thiết lập" và "khẳng định gọi" luôn luôn được gửi qua SDCCH và "công nhận kết nối" luôn luôn qua kênh điều khiển liên kết nhanh. "Báo chuông" và "kết nối" được phát trên SDCCH nếu OACSU tích cực, ngược lại, chúng được phát ở kênh điều khiển liên kết nhanh. ở thay đổi dạng cuộc gọi: thay đổi dịch vụ trong quá trình của 1 kết nối (chẳng hạn từ truyền tiếng dẫn sang truyền dẫn số liệu). Sự thay đổi có thể được khởi xướng bởi MS hay phía đối phương. Trong cả 2 trường hợp phía khởi xướng phát đi bản tin "thay đổi" (modify). Trong bản tin này các thông tin về khả năng mang và tính tương thích mới được định nghĩa. Trường hợp thành công phía đối phương đáp lại bằng bản tin "hoàn thành thay đổi" (Modify complete) nhắc lại thông tin về dung lượng và tương thích. Xoá cuộc gọi có thể khởi xướng hoặc bởi MS hoặc bởi đối tượng. Nếu MS khởi xướng xoá thì nó phát đi bản tin "tháo gỡ" (disconnect). BS trả lời bằng cách xoá kết nối CM sử dụng "giải phóng" và "hoàn thành giải phóng" (xem hình 3.38). Tuy nhiên nếu đối phương khởi xướng xoá thì BS xoá kết nối CM ngay lập tức. Lưu ý bản tin "tháo gỡ" được truyền ở khung I của lớp 3 không nên nhầm với DISC ở lớp 2 (xem hình: cấu trúc trường điều khiển của khung lớp 2). 9. Quản lý các báo hiệu ở giao diện vô tuyến. Trong phần này ta sẽ tổng kết các báo hiệu ở giao diện vô tuyến và xét toàn bộ các chuỗi báo hiệu cho cập nhật vị trí, MOC, MTC và chuyển giao. Tổng kết các báo hiệu ở các lớp khác nhau trong giao diện vô tuyến được cho ở hình: Tổng kết các báo hiệu ở giao diện vô tuyến. ở hình này ta thấy các bản tin lớp 3 có độ dài cực đại là 249 byte, ở lớp 2 các bản tin này được cắt mảnh thành 22 byte cho BCCH, CCCH, 20 byte cho kênh điều khiển liên kết nhanh, SDCCH và 18 byte cho SACCH, sau đó các đoạn bản tin này được bổ sung thêm: 1 byte trường chỉ thị độ dài cho BCCH và CCCH, 3 byte như ở hình: cấu trúc của khung lớp 2. Cho kênh điều khiển liên kết nhanh, SDCCH và SACCH. ở lớp vật lý 21 byte lớp 2 của SACCH được bổ sung thêm 2 byte để được 23 byte, sau đó các khung 23 byte được mã hoá kênh để chống lỗi và phát hiện lỗi thành 456 bít. Cuối cùng các bít này được ghép xen thành 4 cụm hay 8 cụm đối với kênh điều khiển liên kết nhanh. Các chuỗi báo hiệu cho cập nhật vị trí mà ta xét ở hình 3.39b giới hạn cho trường hợp mà ở đó MS đang tích cực nhưng chưa có kết nối của người sử dụng sẽ thay đổi vùng định vị. Ngay sau khi MS này điều chỉnh đến BS mới, nó nhận biết LAI mới ở BCCH. MS yêu cầu (thông qua RACH) 1 kênh báo hiệu (SDCCH). Sau khi được cấp phát 1 kênh báo hiệu (ở AGCH) MS thiết lập kết nối lớp 2 bằng thủ tục "phân giải xung đột" bao gồm bản tin SABN lớp 3 "yêu cầu cập nhật vị trí" cùng với CHSN, TMSI và LAI cũ. Ngoài ra MS chỉ thị rằng cập nhật vị trí là loại bình thường (không phải định kỳ hay nhập IMSI). BC công nhận SABM bằng UA. VLR xác định IMSI trên cơ sở TMSI và LAI (có thể bằng cách hỏi lại VLR cũ khi chuyển giao giữa các MSC), thông báo cho HLR nếu cần thiết. Trước khi khẳng định cập nhật vị trí và ấn định 1 TMSI mới cho MS, VLR thực hiện nhận thực (các khung I "yêu cầu nhận thực" và "trả lời nhận thực") và khởi động quá trình mật mã hoá (các khung I "lệnh chế độ mật mã" và "hoàn thành chế độ mật mã"). Sau đó có thể ấn định 1 TMSI mới bằng bản tin được mật mã "chấp nhận cập nhật vị trí". MS trả lời bằng "hoàn thành cấp phát lại TMSI". Sau đó BS xoá kết nối RR. Báo hiệu trên giao diện vô tuyến Các bản tin lớp 3 không thể dài hơn 249 byteĐường truyền LAPD có hạn (kích thước bình thường nhỏ hơn 23 byte) MAX 249 byte Lớp 2LAPDm 22 22 1 BCCHCCCH T.TL2 20 FACCHSDCCH Chế độ công nhận (đa khung) haykhông công nhận (SDCCH, FACCH, SACCH) Chế độ không công nhận(BCCH, CCCH) 1B 3 SACCH T.TL2 3 Bản tin lớp 3 được chia thành các đoạn 20 hay đối với SACCH 18 byte 23 byte(184 bít) Lớp 1vật lý 21 byte (SACCH) Cộng định thời trước: 1 byte Cộng lệnh Đ/K công suất: 1 byte 21 + 1 + 1 = 23 byte 456 bit Mã hoá xoắn để hiệu chỉnh lỗi Mã file để phát hiện lỗi Ghép xen 456 bit trên 4 cụm hay 8 cụm cho FACCH 57 57 57 57 57 57 57 57 Ký hiệu: T.T lớp 2 = thông tin lớp 2 Đến máy phát Hình 3.48. Tổng kết các báo hiệu ở giao diện vô tuyến Đối với MOC ở các hình 3.33, 3.33, 3.34 ta xét trường hợp MS có vị trí hiện thời đã được cập nhật và thiết lập cuộc gọi ra. Vì thế không cần cập nhật vị trí cùng với việc thiết lập MM ngay tiếp theo. Thay vào đó phải thiết lập riêng 1 kết nối RR cho MOC. Để vậy MS yêu cầu 1 SDCCH (ở RACH: lý do yêu cầu bằng thiết lập MOC). Sau khi được cấp phát SDCCH (qua AGCH) MS thiết lập kết nối lớp 2 và phát đi SABM với bản tin "yêu cầu dịch vụ CM" chứa CKSN của lần nhận thực cuối cùng và thông tin rằng 1 kết nối MM cho điều khiển cuộc gọi (CC) sẽ được thiết lập. BS công nhận SABM bằng UA. Bây giờ MS thực hiện nhận thực (các khung I "yêu cầu nhận thực" và "trả lời nhận thực") và khởi động mật mã hoá (các khung I "lệnh chế độ mật mã" và "hoàn thành chế độ mật mã"). Sau đó 1 kết nối MM được thiết lập và MS có thể thiết lập 1 kết nối CC bằng bản tin "thiết lập". Bản tin này chứa 1 nhận dạng giao dịch mới (TI được chọn bởi trạm MS) cùng với thông tin cần thiết cho việc thiết lập cuộc gọi mạng (chẳng hạn khả năng mang và số thoại bị gọi). BS trả lời bằng khung I "đang tiến hành gọi", MS trả lời bằng "sẵn sàng thu". Khi này nếu OACSU không tích cực, mạng sẽ ấn định 1 kênh tiếng bằng cách phát đi khung I "lệnh ấn định" với số kênh TCH. MS trả lời bằng "thu sẵn sàng", khi này kết nối lớp 2 có thể được xoá nội bộ và 1 kết nối lớp 2 mới được thiết lập ở FACCH. MS sử dụng FACCH mới để công nhận việc thu được "lệnh ấn định" bằng "hoàn thành ấn định". Ngay sau khi chuông để ở phía bị gọi, mạng gửi đến MS "báo chuông", MS đáp lại bằng "sẵn sàng thu". Khi bị gọi trả lời mạng gửi khung I "kết nối" đến Ms, MS đáp lại bằng khung I "công nhận kết nối". Cuối cùng BS công nhận trả lời của MS bằng "thu sẵn sàng", như vậy nối thông được thiết lập. Nếu OACSU được thiết lập, thì kênh tiếng được ấn định lần đầu khi phía bị gọi trả lời (ngay trước "kết nối"). Truyền dẫn "báo chuông" và "sẵn sàng thu" liên quan tiếp tục ở SDCCH (xem hình 3.34). BS khởi đầu 1 MTC bằng tìm gọi. Để vậy nó phát đi ở PCH 1 khung UI "yêu cầu tìm gọi" chứa TMSI. MS bị gọi phát "yêu cầu kênh" ở RACH (chứa lý do: trả lời tìm gọi) và nhận được trả lời "ấn định tức thì" ở AGCH có chứa kênh SDCCH được cấp phát, ở kênh này MS sẽ thiết lập kết nối lớp 2. Để thiết lập kết nối lớp 2 MS phát đi SABM chứa bản tin "trả lời tìm gọi" cùng với CKSN lần cuối và TMSI. Mạng công nhận kết quả tìm gọi và trả lời SABM bằng UA. Bây giờ BS bắt đầu thực hiện nhận thực (các khung I "yêu cầu nhận thực" và "trả lời nhận thực") và khởi động mật mã hoá (các khung I "lệnh chế độ mật mã" và "hoàn thành mật mã"). Sau đó 1 kết nối MM được thiết lập và BS thiết lập 1 kết nối CC bằng bản tin "thiết lập". Bản tin này chứa 1 nhận dạng giao dịch mới (TI: được chọn bởi trạm di động) cùng với tất cả các thông tin cần cho thiết lập cuộc gọi (chẳng hạn khả năng mang). Trạm MS trả lời bằng khung I "khẳng định cuộc gọi", BS đáp lại bằng "sẵn sàng thu". Nếu OACSU không tích cực, thì BS ấn định kênh ngay lúc này, thủ tục này giống như đối với MOC (xem hình 3.37). Điều quan trọng nhất là kết nối RR trước đây ở SDCCH được thay thế bằng kết nối mới ở FACCH. Ngay sau phía bị gọi đổ chuông, MS gửi khung I "báo chuông", BS đáp lại bằng "sẵn sàng thu". Nếu phía bị gọi trả lời, MS thông báo BS bằng khung I "kết nối". BS trả lời bằng "thu sẵn sàng", như vậy là kết nối đã được thiết lập cho cuộc gọi kết cuối ở trạm di động. Nếu OACSU hoạt động, thì kênh tiếng được thiết lập khi phía bị gọi trả lời (ngay trước "kết nối"). Truyền dẫn "báo chuông", "sẵn sàng thu" liên quan và "kết nối" vẫn tiếp tục ở SDCCH (xem hình 3.36). Về chuyển giao (Handover) ta chỉ hạn chế xét trường hợp các ô đồng bộ, đối với MS thủ tục này bắt đầu khi trạm BS gửi đi 1 khung I với lệnh "chuyển giao" ở FACCH. Bản tin này chứa các định nghĩa về ô mới (chẳng hạn mã mầu, cấu trúc ô mới, định thời trước), của kênh tiếng mới (TCH) và 1 số tham khảo chuyển giao mới. Trạm MS công nhận khung I này bằng "sẵn sàng thu". Với lệnh này kết nối lớp 2 ở FACCH cũ bị xoá bỏ nội bộ. Kênh tiếng cũ cùng với các kênh báo hiệu liên kết với nó (FACCH và SACCH) được giải phóng. Bây giờ trạm MS nhập vào ô mới bằng cách phát đi 4 bản tin "thâm nhập chuyển giao" riêng biệt ở FACCH chứa TCH mới, bản tin này không theo tiêu chuẩn, nó chỉ có 1 byte chứa số tham khảo chuyển giao. Sau đó MS thiết lập kết nối lớp 2 bằng SABM ở FACCH mới và sau khi nhận được UA nó phát đi lệnh "hoàn thành chuyển giao" ở khung I đầu tiên đến trạm BS. BS đáp lại bằng "sẵn sàng thu" như vậy chuyển giao đã hoàn thành. Xoá cuộc gọi có thể khởi xướng hoặc từ MS hoặc từ phía mạng, ở đây ta chỉ xét việc xoá 1 kết nối hữu ích đã được thiết lập. Nếu MS khởi xướng xoá, nó phát đi khung I "tháo gỡ" (Disconnect). BS đáp lại bằng cách xoá kết nối CM với khung I "giải phóng" (Release). MS đáp lại bằng "giải phóng hoàn thành". Kết nối MM chỉ được xoá nội bộ. Tuy nhiên kết nối RR phải được xoá dạng tường minh. BS phải khởi xướng xoá RR (không phụ thuộc vào phía khởi xướng xoá kết nối của người sử dụng) bằng cách phát đi khung I "giải phóng kênh". Cuối cùng MS xoá lớp 2 bằng DISC, BS trả lời bằng UA. Khi này các tiềm năng bị chiếm được giải phóng và việc xoá kết nối được hoàn tất. Kết luận Trong khoảng thời gian qua, em đã nghiên cứu và hoàn thành bản báo cáo về vấn đề thông tin di động. Thông tin di động là 1 vấn đề khó nhưng có lĩnh vực ứng dụng của nó trong thực tế lại rất rộng. Em nhận thấy việc lựa chọn hệ thống GSM đưa vào sử dụng ở nước ta là hoàn toàn đúng đắn với 2 lý do sau: + Đây là hệ thống số duy nhất hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới được đưa vào thương mại trong những năm đầu của thập niên 90. Vào thời điểm này nhu cầu về các dịch vụ thông tin di động ở nước ta đã xuất hiện. + Từ khi đưa vào cho đến nay, hệ thống GSM đã hoạt động rất hiệu quả ở mạng lưới viễn thông Việt Nam. Từ những điều nêu trên cho thấy việc nghiên cứu để nắm vững tiêu chuẩn của hệ thống GSM là điều cần thiết. Hiểu sâu giao diện này giúp cho các nhà khai thác và thử nghiệm các mạng di động của nước ta làm tốt nhiệm vụ của mình. Tuy nhiên, vì thời gian có hạn nên đồ án của em còn có những vấn đề hạn chế, nếu có điều kiện tìm hiểu thêm em sẽ cố gắng để nâng đồ án này lên mức hoàn thiện hơn. Rất cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy và các cô. Và cuối cùng, em xin một lần nữa cảm ơn thầy hướng dẫn Đỗ Trọng Tuấn đã giúp đỡ em trong thực tập, nghiên cứu, làm đồ án này. Và em xin cảm ơn các thầy, các cô đã dành thời gian đọc đồ án này. Tài liệu tham khảo 1. Thông tin di động số Cellular - Vũ Đức Thọ, 1997 2. Thông tin di động GSM - PTS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, 1997 3. The GSM System formobile commnication - Dr michael mouly and marie - Bernadtte pautte - 1992. 4. European cellular infrastructure division, Motorola LTD, 1996. Các từ viết tắt và thuật ngữ A AGCH Access grand channel Kênh cho phép thâm nhập Abis Abis interface Giao diện Abis ALERT Signal on D-channel Báo hiệu trên kênh D ARQ Automatic retransmitssion request Yêu cầu phát lại tự động AUC Authentication center Trung tâm nhận thực B BCC Base station color code Mã màu trạm gốc BCCH Broadcast control channel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast channel Kênh quảng bá BER Bit error rate Tỷ lệ bít lỗi Bm Full rate TCH TCH toàn tốc BS Base station Trạm gốc BSC Base station controller Bộ điều khiển trạm gốc BSIC Base station indentity code Mã nhận dạng trạm gốc BSSAP Base station subsystem application part Phần ứng dụng phân hệ trạm gốc BSS Base station subsystem Phân hệ trạm gốc BSSMAP BSS menagement application part Phần ứng dụng quản lý BSS BTS Base transaiver station Trạm thu phát gốc BTSM BTS Management Quản lý BTS C C/I Carier to interfrenanec ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu CC Country code Mã quốc gia CC Call control Điều khiển cuộc gọi CCCH Common control channel Kênh điều khiển chung CCITT International telegraph and telephone consultative committee Uỷ ban tư vấn quốc tế về điện thoại và điện báo CCSN7 Common channel signalling number 7 Báo hiệu kênh chung số 7 CDOUA Code division multiple access Đa truy nhập phân chia theo mã CEPT conferunce of european postal and telecommunication Hội nghị các cơ quan quản lý Bưu chính và viễn thông Châu Âu CGI Cell Global Identity Nhận dạng ô tổng thể CI Cell identity Nhận dạng ô CK Check sum Kiểm tra tổng CKSC Cifering key sequence number Số chuỗi khoá mật mã CM Call management Quản lý gọi D DCCH Dedicated control channel Kênh điều khiển dành riêng DISC Disconnect Giải phóng kết nối DM Disconnect mode Chế độ không kết nối DUP Data user part Phần người sử dụng số liệu E EIR Equipment indentity register Thanh ghi nhận dạng thiết bị ETSI European telecommunication standard institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu F F Final Bit kết thúc FACCH Fast associated control channel Kênh điều khiển liên kết nhanh FDMA Frequency division multiple access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward error correction Hiệu chỉnh lỗi trước G GMSC Gate way MSC Tổng đài di động cổng GMSK Gaussian minimum shift keying Khoá chuyển pha cực tiểu GSM Group special mobile on glolal system for mobile communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu H HLR Home location register Bộ ghi định vị thường trú I I Information Khung thông tin IMEI International mobile station equipment indentity Nhận dạng trạm di động quốc tế ISDN Intergrated services digital network network Mạng liên kết đa dịch vụ số ISUP ISDN user part Phần của người sử dụng ISDN K KC Ciphering key Khoá mật mã KI Subsciber authentication key Khoá nhận thực thuê bao L LA Location area Vùng định vị LAC Location are code Mã nhận dạng vùng định vị LAI Location area/Identity Nhận dạng vùng định vị LAPD Link access protocol on D-channel Giao thức thâm nhập đường truyền kênh D LAPDM Link access protocol on Dm-channel Giao thức thâm nhập đường truyền ở lớp 2 giao diện vô tuyến Um trong TTDĐ LM Haft rate TCH TCH bán tốc M MAP Mobile application Phần ứng dụng di động MCC Mobile country code Mã quốc gia di động ME Mobile equipment Thiết bị di động MM Mobile management Quản lý di động MNC Mobile network code Mã mạng di động MS Mobile station Trạm di động MSC Mobile service switching center Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động MSIDN Mobile station ISDN number Số ISDN trạm di động MSIN Mobile station indentification number Số nhận dạng thuê bao di động MSRN Mobile station roaming number Số lưu động trạm di động MSU Message signalling unit Đơn vị báo hiệu MT Mobile terminal Kết cuối di động MTP Message tranfer part Phần truyền bản tin N NCC National color code Mã mầu quốc gia NDC National destination code Mã nơi nhận trong nước NSS Network switch subsystem Phân hệ chuyển mạch O O & M Operation and maintenace Khai thác bảo dưỡng OACSU Off ain call set up Thiết lập FACCH/TCH sớm OMC Operation and maintenance center subsystem Trung tâm khai thác và bảo dưỡng OSI Open system interconnection Kết nối hệ thống mở P P Poll Bít dò hỏi P/F Poll/Final bit Bít hỏi đáp PCH Paging channel Kênh tìm gọi PCM Pulse code modulation Điều chế xung mã PIN Personal identity number Số nhận dạng cá nhân PLMN Public land mobile network Mạng di động mặt đất PSPDN Packet switch public data network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói PSTN Public switch telephone network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng R RACH Random access channel Kênh thâm nhập ngẫu nhiên RAND Random number Số ngẫu nhiên REJ Reject Từ chối RNR Receive not ready Không sẵn sàng thu RR Radio resourse management Quản lý kênh vô tuyến RR Receive ready Sẵn sàng thu S S Khung giám sát SABM Set synchronous balanced mode Lập chế độ cân bằng dị bộ SACCH Slow associated control channel Kênh điều khiển liên kết chậm SAPI Service access paint indicator Bộ chỉ thị điểm thâm nhập dịch vụ SCCP Signalling connection control part Phần điều khiển nối thông báo hiệu SCH Synchronization channel Kênh đồng bộ SDCCH Stand alone dedicated control part Kênh điều khiển dành riêng đứng 1 mình SIM Subscriber indentity module Modul nhận dạng thuê bao SL Signalling link Đường báo hiệu SN Subscriber number Số thuê bao SNR Serial number Số seri SP Siglling point Điểm báo hiệu SRES Signed respense Mật khẩu SS Switching subsystem Hệ thống con chuyển mạch SIP Signalling transfer point Điểm chuyển báo hiệu T TA Timming advance Đình thời trước TAC Type approval code Mã công nhận kiểu TAF Terminal adaptation function Chức năng thích ứng đầu cuối TB Tall bit Bit đuôi TCH Traffic channel Kênh lưu lượng TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TMSI Temporary mobile subscriber indentity Nhận dạng thuê bao di động tạm thời TRAU Transcoder and rate adaption unit Khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRX Transceiver Máy thu phát TS Time slot Khe thời gian TUP Telephone user part Phần người sử dụng điện thoại U U Khung không đánh số UA Unnumbered acknowledge Công nhận không đánh số UI Unnumbered information Thông tin không đánh số UP User part Phần người sử dụng UTP Universal personal telecommunication Viễn thông cá nhân toàn cầu ULR Visitor location register Bộ ghi định vị tạm trú. mục lục ._.