Công nghệ gsm và quá trình phát triển gsm lên 3g

  • Số trang: 92 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 10 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC...................................................................................................................1 LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................4 CHƯƠNG 1. MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM.............................................5 I. Giới thiệu chung về GSM.................................................................................5 1. Giới thiệu về GSM.........................................................................................5 2. Lịch sử mạng GSM........................................................................................5 3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM............................................................5 4. Băng tần sử dụng trong mạng GSM..............................................................6 5. Phương pháp truy nhập trong mạng GSM.....................................................7 II. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động GSM............................................8 1. Cấu trúc của hệ thống....................................................................................8 2. Chức năng của các phần tử trong hệ thống....................................................9 2.1. Hệ thống con chuyển mạch SS..............................................................9 2.2. Hệ thống con trạm gốc BSS..................................................................10 2.3. Hệ thống con khai thác OSS.................................................................11 2.4. Trạm di động MS..................................................................................12 III. Quá trình xử lý các tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến..................12 1. Chuyển đổi A/D.............................................................................................13 2. Mã hóa tiếng..................................................................................................13 3. Mã hóa kênh..................................................................................................13 4. Ghép xen........................................................................................................14 5. Mật mã hóa....................................................................................................14 6. Điều chế.........................................................................................................15 7. Cân bằng Viterbi............................................................................................15 8. Chuyển đổi D/A.............................................................................................16 IV. Giao diện vô tuyến Um..................................................................................16 1. Kênh vật lý.....................................................................................................16 2. Kênh logic......................................................................................................19 2.1. Kênh lưu lượng TCH............................................................................19 2.2. Kênh báo hiệu điều khiển......................................................................19 V. Các trường hợp thông tin................................................................................20 1. Các trạng thái của máy di động MS...............................................................20 2. Thủ tục nhập mạng........................................................................................20 3. Lưu động và cập nhật vị trí............................................................................20 4. Thủ tục rời mạng...........................................................................................21 Hoàng Thị Huệ 1 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp 5. Các trường hợp cuộc gọi................................................................................21 5.1. Trạm di động MS thực hiện cuộc gọi....................................................21 5.2. Trạm di động MS nhận cuộc gọi...........................................................23 6. Các trường hợp chuyển giao (Handover)......................................................25 VI. Các dịch vụ trong GSM.................................................................................25 VII. Bảo mật trong GSM.....................................................................................26 1. Đánh số nhận dạng thuê bao và các vùng mạng............................................26 2. Nhận thực thuê bao........................................................................................27 CHƯƠNG 2. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN TỪ GSM LÊN 3G................................28 I. Giới thiệu............................................................................................................28 II. Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G...............................................................28 1. Công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD............................29 2. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS................................................................31 2.1. Giới thiệu GPRS...................................................................................31 2.2. Các đặc điểm của mạng GPRS.............................................................31 2.3. Cấu trúc của mạng GPRS......................................................................33 2.4. Giao thức trong mạng GPRS.................................................................36 2.5. Giao diện vô tuyến................................................................................37 a. Lớp vật lý của GPRS..........................................................................37 b. RLC/MAC của GPRS.........................................................................38 c. Lớp điều khiển đường truyền logic LLC............................................38 2.6. Các chức năng của GPRS.....................................................................39 2.7. Nhập mạng GPRS.................................................................................47 2.8. Khả năng phát triển của GPRS lên 3G..................................................48 3. Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM (EDGE).................................49 3.1. Kỹ thuật điều chế trong EDGE.............................................................49 3.2. Giao tiếp vô tuyến.................................................................................50 CHƯƠNG 3. CÔNG NGHỆ W-CDMA...................................................................52 I. Giới thiệu............................................................................................................52 II. Các đặc điểm của W-CDMA..........................................................................52 III. Các đặc tính cơ bản của W-CDMA.............................................................53 IV. Cấu trúc mạng W-CDMA.............................................................................54 V. Các dịch vụ trong mạng W-CDMA...............................................................58 VI. Giao diện vô tuyến..........................................................................................58 1. Các kênh logic...............................................................................................60 2. Các kênh truyền tải........................................................................................60 3. Các kênh vật lý..............................................................................................61 3.1. Các kênh vật lý đường lên.....................................................................61 3.2. Các kênh vật lý đường xuống...............................................................62 Hoàng Thị Huệ 2 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp VII. Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA....................................................63 1. Thiết bị thu phát vô tuyến trong hệ thống TTDĐ thế hệ 3............................63 a. Máy phát...................................................................................................63 b. Máy thu....................................................................................................63 2. Mã hóa và đan xen.........................................................................................64 2.1. Mã vòng................................................................................................64 2.2. Mã xoắn.................................................................................................65 2.3. Mã Turbo...............................................................................................66 2.4. Đan xen trong W-CDMA......................................................................66 3. Điều chế BPSK và QPSK..............................................................................67 3.1. Điều chế BPSK.....................................................................................67 3.2. Điều chế QPSK.....................................................................................68 4. Điều khiển công suất và chuyển giao............................................................69 4.1. Điều khiển công suất.............................................................................69 a. Điều khiển công suất vòng hở OLPC.................................................70 b. Điều khiển công suất vòng kín CLPC................................................70 4.2. Chuyển giao..........................................................................................71 a. Chuyển giao mềm...............................................................................71 b. Chuyển giao mềm hơn........................................................................72 c. Chuyển giao cứng...............................................................................72 VIII. Kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA...........................................................72 1. Giới thiệu.......................................................................................................72 2. Nguyên lý trải phổ DSSS...............................................................................74 3. Mã trải phổ.....................................................................................................74 4. Các hệ thống DSSS – BPSK..........................................................................76 4.1. Máy phát DSSS – BPSK.......................................................................76 4.2. Máy thu DSSS – BPSK.........................................................................77 5. Các hệ thống DSSS – QPSK.........................................................................79 5.1. Máy phát DSSS – QPSK.......................................................................79 5.2. Máy thu DSSS – QPSK.........................................................................80 IX. Thiết lập một cuộc gọi trong W-CDMA UMTS.........................................81 KẾT LUẬN.................................................................................................................85 BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................92 Hoàng Thị Huệ 3 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Từ xưa tới nay, thông tin liên lạc luôn là một lĩnh vực quan trọng của đời sống xã hội. Đặc biệt là ngày nay khi mà mạng thông tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ thì nhu cầu của con người không chỉ dừng lại ở đó. Công nghệ GSM có những đặc tính nổi bật như dung lượng lớn, tính bảo mật cao,…Tuy nhiên vì là hệ thống băng thông hẹp, sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh nên GSM chỉ có thể hỗ trợ truyền số liệu với tốc độ tối đa là 9,6 kbit/s, không đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng về các dịch vụ mới như truyền số liệu tốc độ cao, điện thoại có hình, truy cập Internet tốc độ cao từ máy di động và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện khác. Vì những lí do trên, các nhà khai thác GSM đang từng bước nâng cấp mạng GSM. Tuy nhiên việc loại bỏ hẳn công nghệ đang dùng để tiếp cận ngay mạng 3G là rất tốn kém về mặt kinh tế. Vì vậy họ phải chọn giải pháp nâng cấp mạng GSM qua bước trung gian 2,5G để tạm thời đáp ứng nhu cầu của người sử dụng cũng như chuẩn bị cơ sở hạ tầng kỹ thuật sau đó mới tiến lên 3G. Để có thể nắm vững các kỹ thuật sử dụng trong quá trình nâng cấp GSM lên 3G cũng như tìm hiểu về công nghệ W-CDMA, em đã chọn đề tài “ Công nghệ GSM và quá trình phát triển GSM lên 3G ” . Nội dung trình bày trong bản đồ án: Chương 1: Mạng thông tin di động GSM Chương 2: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G Chương 3: Công nghệ W-CDMA Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Quốc Trung đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ trường Đại Học Vinh đã chỉ bảo cho em trong suốt thời gian qua. Vinh, ngày 03 tháng 05 năm 2009 Sinh viên thực hiện Hoàng Thị Huệ Hoàng Thị Huệ 4 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GSM 1. Giới thiệu về GSM GSM (Global System for Mobile Communication) - hệ thống viễn thông toàn cầu, sử dụng tần số 900 MHz cũng như 1800 MHz ở Châu Âu và 1900 MHz ở Bắc Mỹ. GSM hỗ trợ truyền thoại với tốc độ 13 kbit/s và truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s. Mạng GSM sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA kết hợp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA. 2. Lịch sử mạng GSM Vào đầu thập niên 1980, tại Châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực. Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hóa bởi CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) và tạo ra Groupe Spéccial Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu. Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi Radiolinja ở Phần Lan. Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) và các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990. Vào cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia. 3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do của các thuê bao trong châu Âu, có nghĩa là một thuê bao có thể thâm nhập sang mạng của nước khác khi di chuyển qua biên giới. Trạm di động GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi thông tin tại bất cứ nơi nào trong vùng phủ sóng quốc tế. * Về khả năng phục vụ: - Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể dùng được trong tất cả các nước có mạng. - Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan tới mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). Hoàng Thị Huệ 5 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp - Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tàu viễn dương như một mạng mở rộng cho các dịch vụ di động mặt đất. * Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật: - Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệ thống di động tương tự trước đó trong điều kiện vận hành thực tế. - Hệ thống có khả năng mật mã hoá thông tin người dùng mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống cũng như không ảnh hưởng đến các thuê bao khác không dùng đến khả năng này. * Về sử dụng tần số: - Hệ thống cho phép mức độ cao về hiệu quả của dải tần mà có thể phục vụ ở vùng thành thị và nông thôn cũng như các dịch vụ mới phát triển. - Dải tần số hoạt động là 890-915 và 935-960 Mhz. - Hệ thống GSM 900Mhz phải có thể cùng tồn tại với các hệ thống dùng 900Mhz trước đây. * Về mạng: - Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT. - Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT. - Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi được dùng trong các mạng khác nhau. - Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu được tiêu chuẩn hoá quốc tế. - Chức năng bảo vệ thông tin báo hiệu và thông tin điều khiển mạng phải được cung cấp trong hệ thống 4. Băng tần sử dụng trong mạng GSM Hệ thống GSM làm việc trong băng tần 890 – 960 MHz, chia làm 2 phần: - Băng tần lên (Uplink band) từ 890 – 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ MS đến BTS - Băng tần xuống (Downlink band) từ 935 – 960 MHz cho các kênh vô tuyến từ BTS đến MS Mỗi băng rộng 25MHz, chia làm 124 sóng mang tương đương với 124 kênh vô tuyến. Các sóng mang cạnh nhau cách nhau 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng Hoàng Thị Huệ 6 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp biệt cho đường lên và cho đường xuống. Các kênh này được gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi và bằng 45MHz. Kênh vô tuyến này có 8 khe thời gian, mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi giữa BTS và MS. Ngoài băng tần cơ sở còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần DCS: - Băng tần GSM mở rộng: 882 – 915MHz và 927 – 960 MHz - Băng tần DCS: 1710 – 1785 MHz và 1805 – 1880 MHz 5. Phương pháp truy nhập trong mạng GSM Mạng GSM sử dụng phương pháp TDMA (Time Division Multiple Access) kết hợp FDMA (Frequency Division Multiple Access). - Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA: Khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến được ấn định. Các thuê bao khác nhau dùng chung một kênh nhờ cài xen thời gian. Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe. - Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA: Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau. Người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp các kênh trong lĩnh vực tần số. Phổ tần số được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ. Mỗi dải tần được gán cho một kênh liên lạc, N dải dành cho liên lạc hướng lên, N dải còn lại cho liên lạc hướng xuống. Các kênh tần số được sử dụng ở GSM nằm trong dải tần quy định 900 MHz xác định theo công thức: FL = 890,2+0,2(n-1) MHz FU = FL(n) + 45 MHz 1 ≤ n ≤ 124 Trong đó: FL: Tần số ở nửa băng thấp FU: Tần số ở nửa băng cao 0,2 MHz: Khoảng cách giữa các kênh lân cận 45 MHz: Khoảng cách thu phát n: Số kênh tần vô tuyến Hoàng Thị Huệ 7 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một ô của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô sử dụng các tần số giống nhau hoặc gần nhau cũng phải xa nhau. Truyền dẫn ở GSM được chia thành các cụm (Burst) chứa hàng trăm bit đã được điều chế. Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian 577 µs ở trong một kênh tần số có độ rộng 200KHz. Mỗi một kênh tần số cho phép tổ chức các khung thâm nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ TS0 đến TS7. II. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1. Cấu trúc của hệ thống Một hệ thống GSM được chia thành các hệ thống con sau đây: - Hệ thống con chuyển mạch (SS – Switching Subsystem ) - Hệ thống con trạm gốc (BSS – Base Station Subsystem) - Hệ thống con khai thác (OSS – Opration Subsystem) - Trạm di động (MS – Mobile Station) * Hệ thống con chuyển mạch SS bao gồm các khối chức năng sau: - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC – Mobile Services Switching Center) - Bộ ghi định vị thường trú ( HLR – Home Location Register) - Bộ ghi định vị tạm trú ( VLR – Visitor Location Registor) - Trung tâm nhận thực ( AUC – Authentication Center) - Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR – Equipment Identification Register) - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động cổng (GMSC – Gateway MSC) * Hệ thống con trạm gốc BSC gồm các khối chức năng sau: - Bộ điều khiển trạm gốc ( BSC – Base Station Controller) - Trạm thu phát gốc ( BTS – Base Transceiver Station) * Hệ thống con khai thác OSS gồm các khối chức năng sau: - Trung tâm quản lý mạng ( NMC – Network Management Center) - Trung tâm quản lý và bảo dưỡng ( OMC – Operation & Maintenance Center) * Trạm di động MS gồm: - Thiết bị di động (ME – Mobile Equipment) Hoàng Thị Huệ 8 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp - Modul nhận dạng thuê bao (SIM – Subscriber Identity Module) SS PST N VLR ISD N AUC HLR EIR MSC OSS PSPDN CSPDN BSS BSC PLMN BTS Truyền báo hiệu MS Truyền lưu lượng Hình 1.1 Mô hình hệ thống GSM 2. Chức năng của các phần tử trong hệ thống 2.1. Hệ thống con chuyển mạch SS Hệ thống con chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lí di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lí thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác. - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động MSC Tổng đài di động MSC thực hiện chức năng chuyển mạch cho các thuê bao di động thông qua trường chuyển mạch của nó. MSC quản lí việc thiết lập cuộc gọi, điều khiển cập nhật vị trí và thủ tục chuyển giao giữa các MSC. Việc cập nhật vị trí của thuê bao cho phép tổng đài di động MSC nhận biết được vị trí của các thuê bao di động trong quá trình tìm gọi trạm di động MS. MSC có tất cả các chức năng của một tổng đài cố định như tìm đường, định tuyến, báo hiệu,… Điều khác biệt giữa tổng đài của mạng cố định ( PSTN, ISDN, …) và MSC là MSC thực hiện xử lý cho các thuê bao di động, thực hiện chuyển vùng giữa các cell. Hoàng Thị Huệ 9 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp Chức năng của tổng đài MSC ngoài việc kết nối với các phần tử của mạng di động nó còn kết nối với các phần tử của mạng khác như PSTN, ISDN, PSPDN, CSPDN, PLMN. MSC thực hiện chức năng trên gọi là MSC cổng (GMSC). Việc giao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho những người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng ( Các chức năng tương tác IWF – Interworking Function). IWF là cổng giao tiếp giữa người dùng mạng GSM với các mạng ngoài. Nó có thể được thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng. - Bộ ghi định vị thường trú HLR HLR chứa đầy đủ các thông tin liên quan đến việc đăng ký dịch vụ và vị trí của các thuê bao. Thường HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Khi mạng có thêm một thuê bao mới thì các thông tin về thuê bao sẽ được đăng ký trong HLR. - Bộ ghi định vị tạm trú VLR Là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM, chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao di động trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên để cập nhật cho MSC với mức độ chính xác hơn HLR. - Trung tâm nhận thực AUC Được nối đến HLR, chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và các khóa mật mã để sử dụng cho bảo mật. Đường vô tuyến cũng được AUC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao. - Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị di động ME thông qua số liệu nhận dạng di động quốc tế (IMEI – International Mobile Equipment Identity) và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị. 2.2. Hệ thống con trạm gốc BSS Là một hệ thống các thiết bị đặc thù riêng cho các tính chất tổ ong vô tuyến của GSM. BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác. BSS bao gồm 2 loại thiết bị: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC. - Trạm thu phát gốc BTS Hoàng Thị Huệ 10 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp Bao gồm các thiết bị thu phát, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ). TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hóa và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. - Bộ điều khiển trạm gốc BSC Có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ BTS và MS, chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này. 2.3. Hệ thống con khai thác OSS OSS thực hiện 3 chức năng chính sau: - Khai thác và bảo dưỡng mạng: + Khai thác: Là hoạt động cho phép các nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao (Handover) giữa hai ô, …Nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng của dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xử lý các sự cố. Khai thác cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tương lai, để tăng vùng phủ sóng. + Bảo dưỡng: Có nhiệm vụ phát hiện, định vị, sửa chữa các sự cố và hỏng hóc. Nó có một số quan hệ với khai thác. Bảo dưỡng cũng bao gồm cả các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế thiết bị có sự cố. - Quản lý thuê bao và tính cước: Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xóa thuê bao khỏi mạng. Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung. Quản lý thuê bao ở mạng GSM chỉ liên quan đến HLR và một số thiết bị OSS riêng, chẳng hạn mạng nối HLR với các thiết bị giao tiếp người máy ở các trung tâm giao dịch với thuê bao. Simcard cũng đóng vai trò như một bộ phận của hệ thống quản lý thuê bao. - Quản lý thiết bị di động: Được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện. EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động. 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. 2.4. Trạm di động MS Hoàng Thị Huệ 11 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp MS có thể là thiết bị xách tay, thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị cầm tay. 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 một số thiết bị khác như máy tính cá nhân, Fax… MS thực hiện hai chức năng: - Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường vô tuyến - Đăng ký thuê bao: mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là Simcard để truy nhập vào mạng Về cấu trúc MS gồm hai phần chính: - Thiết bị di động ME: là bộ phận để xử lý các công việc chung như thu, phát, … - Modul nhận dạng thuê bao SIM: là thành phần để nhận dạng thuê bao trong quá trình MS hoạt động trong mạng, nó là một card điện tử thông minh có thể lưu trữ thông tin. III. QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CÁC TÍN HIỆU SỐ VÀ BIẾN ĐỔI VÀO SÓNG VÔ TUYẾN A/D Phân đoạn 160 mẫu 13 bit 3KHz D/A Giải mã tiếng Mã hóa tiếng Mã hóa kênh Ghép xen Mật mã hóa 260 bit/20ms 456 bit/20ms 22,8 kbit/s Giải mã Viterbi Giải ghép xen Lập khuôn cụm Điều chế 270 kbit/s ở khe TS Giải mật mã Cân bằng Viterbi Giải điều chế Hình 1.2 Xử lý tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến ở MS Ở máy phát, tiếng từ Micro qua bộ lọc thông dải 0,3 – 3,4 KHz đưa vào bộ A/D. Tại đây tiến hành lấy mẫu (8000 mẫu/s), sử dụng 13 bit để mã hóa tương ứng tốc độ 8000 x 13 = 104 kbit/s. Tín hiệu 13 bit, 8000 mẫu/s được chia ra các khoảng 160 mẫu/20ms (chia 8000 mẫu/s thành 50 đoạn) đưa vào mã hóa tiếng. Sau mã hóa tiếng dòng số ra là 260bit/20ms. 260 bit này được phân cấp theo tầm quan trọng và được mã hóa kênh. Sau mã hóa kênh tín hiệu được ghép xen, mật mã hóa, lập khuôn cụm và sau đó được điều chế vào sóng mang trong dải tần GSM. Hoàng Thị Huệ 12 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp Ở máy thu tiến hành giải điều chế, cân bằng Viterbi. Sau đó tín hiệu được giải mật mã, giải mã kênh, giải mã tiếng, qua bộ D/A và tới loa. 1. Chuyển đổi A/D Biến đổi tín hiệu thoại tương tự từ micro của MS bên phát sang tín hiệu PCM 13 bit/mẫu, tần số lấy mẫu 8 KHz để đưa đến bộ mã hóa. 2. Mã hóa tiếng Để có thể cho ra tiếng nói 13 kbit/s, bộ mã hóa này dựa trên nguyên lý mã hóa phân tích bằng cách tổng hợp thông qua việc sử dụng phương pháp mã hóa dự đoán tuyến tính kích thích xung đều. Bộ mã hóa tiếng đưa các khối 260 bit/20 ms đến bộ mã hóa kênh. Các bit này được chia thành 182 bit loại I (các bit được bảo vệ), 78 bit loại II (các bit không được bảo vệ). 3. Mã hóa kênh Mã hóa kênh truyền thêm các bit dư vào vòng dữ liệu để bên thu có thể phát hiện và sửa lỗi bit sinh ra trong quá trình truyền. Thuật toán mã hóa tiếng đưa ra một khối 260 bit/20ms tương ứng 13 kbit/s. Bộ mã hóa kênh thêm 3 bit parity vào mỗi 50 bit rất quan trọng (mã hóa khối) tạo thành 53 bit. 53 bit này cộng thêm 132 bit quan trọng và 4 bit đuôi tiếp tục được mã hóa nhập thành 378 bit. Sau đó 378 bit này cộng với 78 bit còn lại thành khung tiếng nói 456 bit/20ms tương ứng 22,8 kbit/s. Khung tiếng nói 456 bit này tiếp tục được ghép xen. Tồn tại hai dạng mã kênh khác nhau: mã khối tuyến tính và mã xoắn. - Các mã khối tuyến tính: ở loại mã này luồng thông tin được chia thành các khối có độ dài bằng nhau. Các bit dư được bổ sung vào các khối theo một thuật toán nhất định phụ thuộc vào loại mã được sử dụng. Các mã khối tuyến tính được xác định bằng ba thông số: độ dài khối n, độ dài thông tin k (bit) và khoảng cách cực tiểu d. Các mã khối tuyến tính trong đó các bản tin xuất hiện ở phần đầu của khối được gọi là mã hệ thống. Tỷ số r = k/n được gọi là tỷ lệ mã. k bit bản tin Bộ mã hóa kênh Từ mã n bit Hình 1.3 Ví dụ bộ mã hóa kênh Khoảng cách cực tiểu được đánh giá bằng số bit khác nhau giữa hai từ mã giống nhau nhất. Khoảng cách cực tiểu này được gọi là khoảng cách Hamming nhỏ nhất giữa hai từ mã. Hoàng Thị Huệ 13 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp - Mã xoắn: Ở mã xoắn một khối n bit mã tạo ra không chỉ phụ thuộc vào k bit bản tin của khối này mà còn phụ thuộc vào các bản tin của các khối trước đó. Mã xoắn được xác định bởi các thông số sau: + Tỷ lệ mã: r = k/n, trong đó n số bit ở đầu ra khi ứng với k bit ở đầu vào. + Độ dài hữu hạn (phụ thuộc vào số phần tử nhớ của thanh ghi dịch). Một bộ mã xoắn bao gồm một thanh ghi dịch tạo thành từ các Flip-Flop, các đầu vào hoặc đầu ra của các thanh ghi dịch được cộng với nhau theo một quy luật nhất định để tạo nên các chuỗi xoắn, sau đó các chuỗi xoắn được ghép chung với nhau để tạo ra khối mã. 4. Ghép xen Các lỗi bit thường xuất hiện thành chùm lỗi nhưng mã hóa kênh chỉ phát hiện và sửa lỗi các bit và các chùm lỗi ngắn. Phương pháp ghép xen được sử dụng để loại bỏ vấn đề này bằng cách chia khối bản tin cần gửi thành các cụm ngắn rồi hoán vị các cụm này với các cụm của các khối bản tin khác. Nhờ vậy khi xảy ra cụm lỗi dài mỗi bản tin chỉ mất đi một cụm nhỏ, phần còn lại của bản tin vẫn cho phép các dạng mã hóa kênh khôi phục lại được bản tin đúng sau khi đã sắp xếp lại các cụm của bản tin theo thứ tự như ở phía phát. 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Các khối bản tin ghép xen 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 Các khối bản tin được ghép xen 1 2 3 4 1 2 3 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 1 4 1 x 3 4 1 Hình 1.4 Nguyên lý ghép xen 5. Mật mã hóa Mật mã hóa để bảo vệ thông tin về người dùng và báo hiệu tổng đài giữa các BTS và các MS đối với các cá nhân muốn xâm nhập trái phép. Mật mã hóa tín hiệu đạt được bằng thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa một chuỗi ngẫu nhiên với 114 bit của cụm bình thường, nghĩa là với tất cả các bit thông tin trừ các cờ lấy cắp. Để giải mật mã người ta thực hiện thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa tín hiệu thu với chuỗi ngẫu nhiên. Hoàng Thị Huệ 14 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp 6. Điều chế GSM sử dụng phương pháp điều chế khóa dịch pha cực tiểu Gauss GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Phương pháp này thỏa mãn được các yêu cầu đặt ra: - Phổ công suất đầu ra hẹp: đảm bảo yêu cầu công suất ngoài băng tần phát xạ vào các kênh lân cận nhỏ hơn 60 – 80 dB trong các kênh yêu cầu. Điều này là cần thiết để tránh nhiễu các kênh lân cận gây ra trong quá trình truyền lan. - Xác suất lỗi quá trình truyền lan nhỏ - Nguồn sóng tái sử dụng cùng kênh trong vùng địa lý phải cao - Chỉ số khuếch đại tuyến tính nhỏ - Để có sự sắc bén và mềm dẻo hơn khi thay đổi pha, tín hiệu băng gốc được lọc với bộ lọc thông dải vuông Gaussian. GMSK cung cấp một băng thông hẹp hơn MSK bình thường nhưng sức chống nhiễu tốt hơn. GMSK là phương pháp điều chế băng hẹp dựa trên kỹ thuật điều chế dịch pha, thực hiện bằng cách nối dây chuyền một bộ lọc Gauss và một bộ điều chế MSK. MSK chính là phương pháp điều chế FSK liên tục trong trường hợp hệ số điều chế bằng 0,5. FSK là phương pháp điều tần, nó biến đổi thông tin thành các tín hiệu tần số trong sóng mang rồi truyền đi. Có thể sử dụng bộ VCO ( Voltage Controlled Oscillator) để thực hiện FSK VCO FSK m giá trị Tín hiệu m mức Hình 1.5 Cấu tạo nguyên lý FSK 7. Cân bằng Viterbi Bộ cân bằng Viterbi sẽ tạo mô hình toán học của kênh truyền dẫn. Số liệu được truyền trong các cụm đặt trong các khe thời gian 577µs. Ở giữa mỗi cụm có một mẫu bit S được (chuỗi huấn luyện) được biết trước. Bằng cách so sánh các chuỗi tuần tự đã biết trong một tương quan bên thu với mẫu bit nhận được (S’), bộ cân bằng sẽ tạo nên một mô hình kênh. Hoàng Thị Huệ 15 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp Bộ cân bằng Viterbi ở GSM cho phép xử lý các tín hiệu phản xạ trễ tới 15µs. Bộ cân bằng cũng đưa ra thông tin mềm đến bộ giải mã kênh để tạo điều kiện cho bộ này hiệu chỉnh lỗi được tốt hơn. Cụm thu Số liệu S Số liệu Viterbi Bộ tương quan Thông tin mềm ? S Khác ? Chọn sao cho khác nhau ít nhất Mô hình kênh ? Hình 1.6 Bộ cân bằng Viterbi 8. Chuyển đổi D/A Dãn tín hiệu PCM có nén với 8 bit/mẫu, tần số lấy mẫu 8000 mẫu/s thành tín hiệu PCM đều 13 bit/mẫu. IV. GIAO DIỆN VÔ TUYẾN Um Giao diện vô tuyến là giao diện phức tạp và đặc thù nhất của một hệ thống thông tin di động tổ ong. Giao diện vô tuyến GSM 900 bao gồm hai băng tần song công 25MHz cho cả đường lên và đường xuống. Trong hệ thống GSM, công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA được ứng dụng cho mỗi sóng mang có độ rộng băng tần 200KHz. Trong băng tần 25 MHz chia làm 124 kênh sóng mang bắt đầu từ 890,2 MHz , tách biệt song công 45MHz giữa tần số lên và xuống. Mỗi sóng mang được ghép vào 8 khe thời gian (mỗi khe có độ dài 577µs) theo công nghệ TDMA gọi là một khung TDMA, một khung có độ lâu là 4,616 ms. Mỗi khe thời gian là một kênh vật lý. 1. Kênh vật lý Trong GSM mỗi khe thời gian được coi là một kênh vật lý. Hệ thống GSM có 124 kênh, mỗi kênh có 8 khe thời gian nên sẽ có 124 x 8 = 992 kênh vật lý. Về mặt thời gian, các kênh vật lý ở một kênh tần số được tổ chức theo cấu trúc khung, đa khung, siêu đa khung và siêu siêu khung. Hoàng Thị Huệ 16 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp 1 siêu siêu khung = 2048 siêu khung = 2715648 khung TDMA 0 1 2 4 3 2044 2045 2046 2047 1 siêu khung = 1326 khung TDMA (6,12 giây) 0 1 1 2 3 47 48 1 0 0 2 49 25 24 22 23 24 25 3 0 1 50 47 48 49 50 3 2 1 khung TDMA = 8 khe thời gian ( ~ 4,615 ms) 0 1 2 3 4 5 7 6 1 khe thời gian = 156,25 bit (~ 0,577 ms) TB 3 57 bit được mật mã hóa F 1 chuỗi hướngdẫn 26 bit F 1 57 bit được mật mã hóa TB GP 3 8,25 Cụm bình thường NB (Cờ F chỉ tương ứng với TCH) TB 3 TB GP 3 8,25 42 bit cố định Cụm hiệu chỉnh tần số (FB) TB 3 39 bit được mật mã hóa chuỗi đồng bộ 64 bit 39 bit được mật mã hóa TB GP 3 8,25 Cụm đồng bộ (SB) TB 3 chuỗi đồng bộ 41 bit Các bit được mật mã TB 3 36 bit GP 68,25 Cụm thâm nhập (AB) TB 3 Các bit hỗn hợp 58 bit chuỗi hướng dẫn 26 bit Các bit hỗn hợp 58 bit TB 3 GP 8,25 Cụm giả (DB) Ký hiệu: TB: bit đuôi F: cờ lấy cắp GP: đoạn bảo vệ Hình 1.7 Tổ chức khung và cụm Một siêu siêu khung có độ lâu là 3 giờ 28 phút 53 giây 760 ms. Các khung TDMA được đánh số trong siêu khung từ 0 đến 2715647. Một siêu siêu khung được Hoàng Thị Huệ 17 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp chia thành 2048 siêu khung, mỗi siêu đa khung có độ lâu là 5,12 giây. Mỗi siêu khung được chia thành các đa khung. Có 2 loại đa khung: - Đa khung 26 khung (51 siêu khung trên một siêu siêu khung): có độ lâu 120 ms và chứa 26 khung. - Đa khung 51 khung (26 siêu khung trên một siêu siêu khung): có độ lâu 235,4 ms và chứa 51 khung. Cấu trúc các cụm Khe thời gian 577 µs tương ứng với độ lâu của 156,25 bit là nội dung vật lý của một cụm. Tồn tại bốn dạng cụm khác nhau trong hệ thống: - Cụm bình thường NB (Normal Burst): được sử dụng để mang các thông tin về các kênh lưu lượng và các kênh kiểm tra. Đối với kênh lưu lượng TCH, cụm này chứa 114 bit được mật mã, ba bit đuôi (0, 0, 0) đầu và cuối, 2 bit cờ lấy cắp (chỉ cho TCH), 26 bit hướng dẫn và khoảng thời gian bảo vệ có độ lâu bằng 8,25 bit. NB được dùng cho TCH và các kênh điều khiển trừ RACH, SCH và FCCH. - Cụm hiệu chỉnh tần số FB (Frequency Correction Burst): được sử dụng để đồng bộ tần số cho trạm di động. Cụm chứa 142 bit cố định bằng 0 để tạo ra dịch tần số +67,7 KHz trên tần số danh định, ba bit đuôi (0, 0, 0) đầu và cuối và khoảng bảo vệ 8,25 bit. FB được sử dụng cho FCCH. - Cụm đồng bộ SB (Synchronization Burst): được sử dụng để đồng bộ thời gian cho trạm di động. Cụm chứa 78 bit được mật mã hóa để mang thông tin về FN (Frame Number - số khung) của TDMA và BSIC (Base Transceiver Station Identity Code – Mã nhận dạng trạm thu phát gốc), ba bit đuôi đầu và cuối, chuỗi hướng dẫn dài 64 bit và khoảng bảo vệ 8,25 bit. SB được sử dụng cho SCH. - Cụm thâm nhập AB (Access Burst): được sử dụng để thâm nhập ngẫu nhiên và thâm nhập chuyển giao. Cụm chứa 36 bit thông tin, 41 bit đồng bộ, 8 bit đuôi đầu, 3 bit đuôi cuối và khoảng bảo vệ 68,25 bit. AB được sử dụng cho RACH và TCH. - Cụm giả DB (Dummy Burst): được phát đi từ BTS trong một số trường hợp. Cụm không mang thông tin. Cụm có cấu trúc giống như cụm NB nhưng các bit mật mã được thay thế bằng các bit hỗn hợp. 2. Kênh logic Các kênh logic được đặt vào các kênh vật lý để truyền đi, các kênh này mang thông tin điều khiển và báo hiệu giữa BTS và MS. Có 2 loại: Kênh lưu lượng TCH và kênh báo hiệu điều khiển CCH. Hoàng Thị Huệ 18 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp 2.1. Kênh lưu lượng TCH - Kênh toàn tốc Bm: Mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 22,8 Kbps - Kênh bán tốc Lm: Mang thông tin ở tốc độ vào khoảng 11,4 Kbps 2.2. Kênh báo hiệu điều khiển - Các kênh điều khiển quảng bá: + Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broadcast Control Channel): phát quảng bá các thông tin chung về ô. Đây là kênh đường xuống từ một điểm đến đa điểm. + Các kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Channel): mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho các trạm MS. + Kênh đồng bộ SCH (Synchoronization Channel): mang thông tin để đồng bộ khung cho trạm di động MS và nhận dạng BTS. - Kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Channel): bao gồm: + Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel): được sử dụng cho đường xuống để tìm trạm di động MS. + Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel): được MS sử dụng để yêu cầu dành một kênh SDCCH. + Kênh cho phép truy cập AGCH (Access Grant Channel): chỉ được sử dụng ở đường xuống để chỉ định một kênh SDCCH cho MS. - Kênh điều khiển dành riêng DCCH (Dedicated Control Channel): bao gồm: + Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH (Stand alone Dedicated Control Channel): chỉ được sử dụng dành riêng cho báo hiệu với một MS. SDCCH được sử dụng cho các thủ tục cập nhật và trong quá trình thiết lập cuộc gọi trước khi ấn định kênh TCH, sử dụng cho cả đường lên lẫn đường xuống. + Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Associated Control Channel): liên kết với một TCH hay một SDCCH. Đây là một kênh số liệu liên tục để mang các thông tin liên tục, sử dụng cho cả đường lên lẫn đường xuống. + Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (Fast Associated Control Channel): liên kết với một TCH. FACCH làm việc ở chế độ lấy cắp bằng cách thay đổi lưu lượng tiếng hay số liệu bằng báo hiệu. V. CÁC TRƯỜNG HỢP THÔNG TIN Hoàng Thị Huệ 19 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp 1. Các trạng thái của máy di động MS - MS tắt máy: Mạng không thể tiếp cận đến MS vì nó không trả lời thông báo tìm gọi cũng như không thông báo cập nhật vị trí. Trường hợp này mạng cho rằng MS đã rời mạng. - MS bật máy, trạng thái rỗi: Trong khi chuyển động, MS liên tục kiểm tra xem nó có thể được nối với một kênh quảng bá hay không. MS cũng liên tục thông báo cho hệ thống những thông tin về cập nhật vi trí sau những khoảng thời gian nhất định. - MS bật máy, trạng thái bận: Có một kênh TCH nối giữa mạng và MS, khi chuyển động MS có thể chuyển đến một kênh thông tin mới. Quá trình này gọi là chuyển giao (Handover). Để quyết định chuyển giao, hệ thống phải diễn giải thông tin nhận được từ MS và BTS. Quá trình này được gọi là định vị. 2. Thủ tục nhập mạng Khi MS bật máy nó sẽ quét cả 124 tần số để tìm tần số có cường độ lớn nhất. Tần số mà nó tìm kiếm chứa thông tin quảng bá và cả thông tin tìm gọi. MS sẽ tự động khóa đến tần số thích hợp nhờ việc hiệu chỉnh tần số. Sau đó MS gửi thông báo cập nhật đến MSC. Lúc này MSC chưa có thông tin gì về MS này. MS gửi yêu cầu cập nhật vị trí tới HLR kèm theo thông tin về vị trí. HLR sẽ thực hiện các thủ tục nhận thực. Nếu xét thấy MS là hợp lệ, HLR sẽ ghi thông tin về vị trí vào trường dữ liệu của MS và gửi thông báo xác nhận cập nhật vị trí tới MSC. Từ đây MS xem là được nhập mạng và được đánh dấu một cờ nhập mạng vào số thuê bao di động quốc tế. 3. Lưu động và cập nhật vị trí Khi MS ở trong một BTS nó sẽ luôn được nối đến một tần số vô tuyến nhất định. Khi nó chuyển động ra xa dần so với BTS thì cường độ tín hiệu thu sẽ giảm dần. Ở một vị trí gần biên giới giữa hai ô, cường độ thu giảm đến mức mà MS quyết định chuyển sang tần số mới của ô lân cận có cường độ lớn hơn tần số cũ. Sau khi khóa đến tần số mới này, MS lại tiếp tục nghe các thông báo tìm gọi và các thông tin cập nhật vị trí từ hệ thống. Quyết định về việc thay đổi của MS không cần thông báo cho mạng trừ khi tần số cũ và tần số mới không thuộc cùng một vùng định vị. Có hai trường hợp cập nhật vị trí: - Khi MS chuyển động từ vùng định vị này sang vùng định vị khác thuộc cùng một MSC: Hoàng Thị Huệ 20 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ
- Xem thêm -