Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 1
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
Đồ án tốt nghiệp
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 2
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
Đồ án tốt nghiệp
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 3
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
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
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 4
Sinh viên thực hiện Hoàng Thị Huệ
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
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 5
loại dịch vụ khác liên quan tới mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN).
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
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 6
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
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
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 7
n: Số kênh tần vô tuyến
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:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 8
- Thiết bị di động (ME – Mobile Equipment)
Đồ án tốt nghiệp
- Modul nhận dạng thuê bao (SIM – Subscriber Identity Module)
AUC
PST N
HLR
EIR
VLR
MSC
ISD N
OSS
PSPDN
BSS
CSPDN
BSC
PLMN
BTS
Truyền báo hiệu
Truyền lưu lượng
MS
SS
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
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 9
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.
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.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 10
- Trạm thu phát gốc BTS
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.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 11
2.4. Trạm di động MS
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
Mã hóa tiếng
Mã hóa kênh
Ghép xen
Mật mã hóa
Điều chế
Lập khuôn cụm
3KHz
260 bit/20ms 456 bit/20ms
160 mẫu 13 bit
22,8 kbit/s
270 kbit/s ở khe TS
D/A
Giải mã tiếng
Giải mã Viterbi
Giải mật mã
Giải ghép xen
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.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 12
3
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.
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.
Từ mã n bit k bit bản tin
Bộ mã hóa kênh
Hình 1.3 Ví dụ bộ mã hóa kênh
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 13
3
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.
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
3
1 2 3 4 1 2
4 1 2 3 4 1 2
3 4
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.
1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4
4 4
Các khối bản tin ghép xen
1 x 3 4 1 x 3 4 1 x
4 1 x
3
3 1
4 1
Các khối bản tin được ghép xen
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.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 14
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.
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
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 15
0
1
3
2
47
48
49
50
1
0
25
24
47 48 49 50
0 1 2 3
22 23 24 25
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7
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.
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 Khác ?
Thông tin mềm Chọn sao cho khác nhau ít nhất
? S ? 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
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 16
0
1
3
2
47
48
49
50
1
0
25
24
47 48 49 50
0 1 2 3
22 23 24 25
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7
khung, đa khung, siêu đa khung và siêu siêu khung.
Đồ án tốt nghiệp
1 siêu siêu khung = 2048 siêu khung = 2715648 khung TDMA
0
1
2
4
2044 2045 2046 2047
3
1 siêu khung = 1326 khung TDMA (6,12 giây)
0
1
3
2
47
48
49
50
1
0
25
24
47 48 49 50
0 1 2 3
22 23 24 25
0 1 2 3
1 khung TDMA = 8 khe thời gian ( ~ 4,615 ms)
0 1 2 3 4 5 6 7
1 khe thời gian = 156,25 bit (~ 0,577 ms)
GP 8,25
TB 3
F 1
F 1
TB 3
57 bit được mật mã hóa
chuỗi hướngdẫn 26 bit
57 bit được mật mã hóa
Cụm bình thường NB (Cờ F chỉ tương ứng với TCH)
GP 8,25
TB 3
TB 3
42 bit cố định
Cụm hiệu chỉnh tần số (FB)
TB 3
TB 3
GP 8,25
39 bit được mật mã hóa
chuỗi đồng bộ 64 bit
39 bit được mật mã hóa
Cụm đồng bộ (SB)
TB 3
GP 68,25
TB 3
Các bit được mật mã 36 bit
chuỗi đồng bộ 41 bit
Cụm thâm nhập (AB)
TB 3
TB 3
GP 8,25
Các bit hỗn hợp 58 bit
chuỗi hướng dẫn 26 bit
Các bit hỗn hợp 58 bit
Cụm giả (DB)
Ký hiệu: TB: bit đuôi F: cờ lấy cắp GP: đoạn bảo vệ Hình 1.7 Tổ chức khung và cụm
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 17
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
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
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 18
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.
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.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 19
V. CÁC TRƯỜNG HỢP THÔNG TIN
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
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 20
một MSC:
Đồ án tốt nghiệp
Vùng định vị của MS được ghi ở bộ ghi định vị tạm trú VLR. Vì MS không chuyển động đến vùng phục vụ mới nên quá trình cập nhật vị trí chỉ là MS gửi thông báo cập nhật vị trí và số nhận dạng vùng định vị mới cho MSC. MSC tiếp nhận thông báo cập nhật vị trí, ghi giá trị mới vào cơ sở dữ liệu của VLR và gửi thông báo xác nhận cập nhật vị trí cho MS.
- MS lưu động giữa hai vùng phục vụ (MSC/VLR):
Khi MS chuyển sang vùng phục vụ mới nó sẽ gửi thông báo cập nhật vị trí cho MSC mới cùng với số nhận dạng của nó. MSC mới này sẽ gửi các thông tin đó tới HLR yêu cầu nhận thực. Sau khi HLR gửi thông báo xác nhận MS là hợp lệ đã đăng ký trong mạng cho MSC hiện thời và xóa vùng phục vụ cũ thay bằng giá trị của vùng phục vụ mới, VLR cũng ghi các số liệu về MS vào cơ sở dữ liệu của nó như là một thuê bao tạm thời và gửi thông báo xác nhận cập nhật vị trí cho MS.
4. Thủ tục rời mạng
Khi MS tắt máy hay ra khỏi vùng phủ sóng nó sẽ gửi thông báo cuối cùng chứa yêu cầu cho thủ tục và các số nhận dạng của nó. Khi thu được thông báo này, VLR của MSC đang quản lý MS này sẽ đánh dấu một cờ rời mạng vào địa chỉ số nhận dạng thuê bao di động quốc tế. Khi có một cuộc gọi tới thuê bao này nhờ có cờ rời mạng nên thông báo tìm gọi sẽ không được phát ra làm giảm tải trên các kênh trung kế và kênh quảng bá.
5. Các trường hợp cuộc gọi
5.1. Trạm di động MS thực hiện cuộc gọi
- MS yêu cầu ấn định kênh:
Sau khi thực hiện việc quay số, MS yêu cầu được ấn định kênh trên kênh truy cập ngẫu nhiên RACH. Nhận được yêu cầu này trạm thu phát gốc BTS sẽ giải mã bản tin. Phần mềm của trạm gốc BSS ấn định kênh SDCCH với bản tin ấn định kênh tức thời gửi trên kênh cho phép truy nhập AGCH.
- MS trả lời:
MS trả lời bản tin ấn định kênh tức thời và chuyển tới ấn định kênh SDCCH. Trên kênh SDCCH, MS sẽ truyền đi các bản tin SAMB (Set Asynchronous Balance Mode – Kiểu cân bằng không đồng bộ tổ hợp). Bên trong bản tin SABM bao gồm các chỉ thị yêu cầu các dịch vụ khác như bản tin yêu cầu thực hiện cuộc gọi hay cập nhật vị trí.Các bản tin này sẽ được xử lý tại trạm gốc BSS và được chuyển tới trung tâm chuyển mạch MSC thông qua giao diện A.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 21
- Yêu cầu nhận thực:
Đồ án tốt nghiệp
Sau khi nhận được các yêu cầu về dịch vụ, MSC sẽ gửi đi một yêu cầu nhận thực đối với MS. Các yêu cầu nhận thực sẽ được gửi tới BSS thông qua đường báo hiệu. Trạm thu phát gốc BTS sẽ làm nhiệm vụ truyền các yêu cầu này tới MS trên kênh SDCCH.
- MS trả lời nhận thực:
Trạm di động MS trả lời yêu cầu nhận thực bằng một đáp ứng nhận thực. Đáp
ứng nhận thực của MS sẽ được BTS chuyển tới BSC trên đường báo hiệu vô tuyến.
- Yêu cầu mã hóa:
Sau quá trình nhận thực được hoàn thành, MSC sẽ gửi đến BSC một lệnh yêu cầu mã hóa quá trình trao đổi thông tin giữa MS và MSC. Quá trình này được thiết lập hay không là phụ thuộc vào BSC và MSC thiết lập chế độ mã hóa là ON hay OFF.
- Hoàn thành quá trình mã hóa:
MS trả lời hoàn thành quá trình mã hóa bằng cách gửi bản tin thực hiện xong quá
trình mã hóa.
- MS thiết lập cuộc gọi:
MS gửi bản tin thiết lập cuộc gọi trên kênh SDCCH. Nó gửi tới tổng đài MSC
dịch vụ yêu cầu thiết lập cuộc gọi
- Yêu cầu ấn định kênh lưu lượng:
Sau khi MSC nhận được bản tin yêu cầu thiết lập cuộc gọi, MSC sẽ gửi lại hệ thống BSS bản tin ấn định kênh lưu lượng, Bản tin này chỉ thị loại kênh lưu lượng sẽ được yêu cầu là kênh bán tốc hay toàn tốc hoặc truyền số liệu. BTS sẽ chỉ định và ấn định cho MS một kênh lưu lượng TCH bằng cách gửi một lệnh ấn định trên kênh SDCCH.
- MS hoàn thành việc ấn định kênh lưu lượng TCH:
Để đáp ứng lệnh ấn định kênh, MS chiếm lấy kênh TCH đồng thời gửi bản tin
hoàn thành việc ấn định kênh trên kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH.
- Bản tin đổ chuông:
Tổng đài MSC gửi bản tin đổ chuông tới máy di động MS. Bản tin này thông báo cho MS hoàn thành việc gọi và có tín hiệu hồi âm chuông được nghe thấy từ MS. Bản tin này là trong suốt đối với BSS.
- Bản tin kết nối:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 22
Khi bên bị gọi nhấc máy trả lời thì một bản tin kết nối được gửi đến trạm di động MS. Tín hiệu này là trong suốt đối với trạm gốc BSS. Bản tin kết nối được truyền thông
Đồ án tốt nghiệp
qua kênh FACCH. Để trả lời tín hiệu kết nối, MS mở một đường tiếng và truyền đi thông qua kênh FSCCH. Bản tin đã kết nối tới tổng đài MSC và cuộc gọi được thực hiện.
5.2. Trạm di động MS nhận cuộc gọi
- Nhắn tin tìm gọi:
Khi thuê bao được tìm gọi thì tổng đài di động MSC sẽ gửi tới một bản tin “yêu cầu nhắn tin” (Paging Request) đến hệ thống điều khiển trạm gốc BSC. BSC sẽ xử lý bản tin này và truyền chúng trên kênh PCH.
- Thuê bao trả lời:
Sau khi thu được bản tin Paging Request, MS trả lời bằng cách gửi bản tin yêu
cầu kênh trên kênh RACH.
- Ấn định kênh SDCCH:
Nhận được bản tin ấn định kênh, BSS sẽ xử lý bản tin và ngay lập tức ấn định một kênh SDCCH. Việc ấn định này sẽ được mã hóa và truyền trên kênh cho phép truy nhập AGCH. Trạm di động MS được ấn định một kênh SDCCH và truyền một bản tin kiểu cân bằng không đồng bộ tổ hợp SABM trả lời nhắn tin. Sau khi được xử lý tại BSS, bản tin trả lời tìm gọi sẽ được gửi tới MSC.
- Yêu cầu nhận thực:
Sau khi nhận được bản tin trả lời tìm gọi, tổng đài di động MSC sẽ gửi đi một yêu cầu nhận thực đối với trạm di động MS. Yêu cầu nhận thực được gửi tới trạm gốc BSS thông qua đường báo hiệu. Trạm thu phát gốc BTS sẽ làm nhiệm vụ truyền các yêu cầu này tới trạm di động MS trên kênh SDCCH.
- MS trả lời nhận thực:
MS trả lời yêu cầu nhận thực bằng một đáp ứng nhận thực. Đáp ứng này sẽ được
BTS chuyển tới BSC trên đường báo hiệu vô tuyến.
- Yêu cầu mã hóa:
Quá trình nhận thực được hoàn thành, MSC sẽ gửi đến BSC một lệnh yêu cầu mã
hóa quá trình trao đổi thông tin giữa MS và MSC.
- Hoàn thành quá trình mã hóa:
MS trả lời hoàn thành quá trình mã hóa bằng cách gửi bản tin “ hoàn thành chế
độ mã hóa ”
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 23
- Bản tin thiết lập:
Đồ án tốt nghiệp
MSC gửi bản tin thiết lập tới MS yêu cầu các dịch vụ. BSS gửi bản tin thiết lập
trên kênh SDCCH.
- MS xác nhận cuộc gọi:
Khi nhận được thông tin về việc thiết lập cuộc gọi, trạm di động MS gửi đi một bản tin xác nhận cuộc gọi. Bản tin này thông báo rằng MS đã nhận được bản tin thiết lập cuộc gọi và cho biết MS có thể nhận cuộc gọi.
- Ấn định kênh:
Khi nhận được bản tin xác nhận, tổng đài di động MSC gửi một bản tin ấn định kênh. Hệ thống trạm gốc BSS nhận được bản tin này ấn định kênh lưu lượng TCH và gửi bản tin ấn định kênh tới trạm di động MS trên kênh SDCCH.
- Hoàn thành ấn định kênh:
Trạm di động chiếm lấy kênh TCH và gửi bản tin hoàn thành việc ấn định kênh trên kênh FACCH. Hệ thống trạm gốc nhận bản tin này và gửi nó đến tổng đài di động MSC.
- Bản tin đổ chuông:
MS gửi bản tin đổ chuông tới tổng đài di động MSC trên kênh FACCH. Bản tin này thông báo tổng đài MSC đã tìm gọi được trạm di động MS và MS đang đổ chuông. Tổng đài MSC gửi hồi âm chuông này cho máy chủ gọi.
- MS thực hiện kết nối:
Khi trạm MS trả lời, MS gửi bản tin kết nối trên kênh FACCH và thiết lập một đường thoại đến người sử dụng. Bản tin kết nối được truyền qua BSS tới tổng đài di động MSC để đi đến tổng đài của máy chủ gọi.
- Thiết lập thành công:
Kết nối cuộc gọi được thiết lập và cuộc thoại được tiến hành.
6. Các trường hợp chuyển giao ( Handover)
Mạng quyết định chuyển giao nhờ các thông số đo cường độ trường và chất lượng truyền dẫn từ MS và BTS. Khi Handover xảy ra thì có nhiều thông tin điều khiển cần được truyền nên kênh SDCCH không đáp ứng được và hệ thống phải sử dụng kênh FACCH để trao đổi thông tin điều khiển.
- Handover giữa các BTS của cùng một BSC:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 24
Trong trường hợp này, BSC phải thiết lập một đường nối tới BTS mới, ấn định một kênh TCH của BTS này để chuẩn bị Handover, gửi lệnh cho MS chuyển tần số sang
Đồ án tốt nghiệp
kênh vô tuyến mới và chỉ ra khe thời gian của kênh TCH mới này. Handover chỉ xảy ra trong vùng BSC nên có thể xử lý tại BSC mà MSC không cần biết. Nếu thay đổi vùng định vị, MS mới cần có thông báo cập nhật vị trí cho MSC.
- Handover giữa các BSC cùng một MSC/VLR:
Trong trường hợp này mạng phải can thiệp nhiều hơn. BSC mới nhận được yêu cầu chuyển giao từ MSC. Sau đó một đường nối mới từ MSC đến BSC đến BTS được thiết lập và một kênh TCH dành cho Handover. Sau đó MS được lệnh chuyển tần số mới cho TCH mới.
- Handover giữa hai vùng phục vụ MSC/VLR:
Đây là trường hợp phức tạp nhất với nhiều tín hiệu được trao đổi trước khi Handover. MSC cũ phải gửi thông báo yêu cầu Handover tới MSC mới. MSC này đảm nhận việc phối ghép đến BTS mới. Sau khi thiết lập xong đường nối giữa hai MSC, MSC cũ sẽ gửi lệnh Handover tới MS.
VI. CÁC DỊCH VỤ TRONG GSM
- Dịch vụ thoại:
Là dịch vụ quan trọng nhất của GSM. Nó cho phép các cuộc gọi hai hướng diễn ra giữa người sử dụng GSM với thuê bao bất kỳ ở một mạng điện thoại nói chung nào. Tốc độ truyền thoại trong GSM là 13 kbit/s
- Dịch vụ số liệu:
Số liệu cũng như thoại trong GSM sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh. GSM được thiết kế để đưa ra rất nhiều dịch vụ số liệu. Các dịch vụ số liệu được phân biệt với nhau bởi người sử dụng phương tiện (người sử dụng các mạng điện thoại PSTN, ISDN…), bởi bản chất các luồng thông tin đầu cuối (dữ liệu thô, fax, videotex, teletex, …), bởi phương tiện truyền dẫn (gói hay mạch, đồng bộ hay không đồng bộ,…) và bởi bản chất thiết bị đầu cuối. Tốc độ truyền số liệu trên mạng GSM là 9,6 kbit/s.
- Dịch vụ bản tin ngắn SMS:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 25
Là một loại dịch vụ số liệu. Dịch vụ nhắn tin ngắn SMS cho phép các thuê bao GSM gửi cho nhau các bản tin chữ dài không quá 160 kí tự. Có thể sử dụng một trung tâm dịch vụ để một thuê bao đọc bản tin đến đó. Sau đó bản tin sẽ được phát đến thuê bao. Nếu thuê bao ở ngoài vùng phủ sóng của hệ thống hay tắt nguồn thì bản tin sẽ được lưu giữ và gửi đi khi thuê bao lại sẵn sàng. Có thể thu hay gửi các thông báo ngắn ở trạng thái rỗi hay trong quá trình cuộc gọi.
Đồ án tốt nghiệp
Ngoài ra còn có các dịch vụ phụ khác như: chặn hướng cuộc gọi, giữ cuộc gọi,
tính cước cho thuê bao...
VII. BẢO MẬT TRONG GSM
Giống như các mạng thông tin khác, mạng thông tin di động GSM phải thực hiện
chống việc truy nhập trái phép. Các biện pháp chống việc truy nhập trái phép:
- Đánh số nhận dạng thuê bao, các vùng phục vụ, vùng định vị
- Nhận thực thuê bao bằng các chìa khóa mật mã
- Mật mã tin tức
1. Đánh số nhận dạng thuê bao và các vùng mạng
- Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI:
IMSI = MCC (mã nước) + MNC (mã mạng) + MSIN (số nhận dạng thuê bao)
Ngoài ra còn có tiền tố 00 ( gọi quốc tế )
- Số lưu động của trạm di động (cấp vào VLR):
MSRN = MCC + NDC (số MSC) + SN (số thuê bao tạm thời)
Mỗi một vùng phục vụ khác nhau thì các thuê bao sẽ có MSRN khác nhau.
- Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời ở mỗi vùng định vị IMSI nhỏ hơn hoặc
bằng 4 byte. Nó chỉ có ý nghĩa ở từng vùng định vị LA (Location Area).
- Số nhận dạng trạm di động theo phần cứng IMEI: Số nhận dạng phần cứng của
mỗi thuê bao sẽ được nhận thực nhờ EIR.
- Số nhận dạng vùng định vị:
LAI = MCC + MNC + LAC
Nó giúp cho việc định tuyến các cuộc gọi đến từng BSC.
- Số nhận dạng ô:
CGI = LAI + CI CI (Cell Identity): Số nhận dạng tế bào ≤ 16 bit
Dùng để định tuyến cuộc gọi đến từng BTS. Mã nhận dạng vùng định vị sẽ được phát liên tục trên kênh điều khiển quảng bá BCCH để các MS biết số vùng định vị của mình.
- Mã nhận dạng trạm gốc BSIC: dùng để MS biết được BTS của mình và các BTS lân cận. Trạm BTS phát BSIC trên kênh đồng bộ SCH. Khi MS muốn truy nhập thì nó sẽ phát BSIC trên kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH.
2. Nhận thực thuê bao
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 26
- Các trường hợp nhận thực:
Đồ án tốt nghiệp
+ Khi MS mới truy nhập vào mạng
+ Khi MS bắt đầu một cuộc gọi hoặc trả lời một cuộc gọi
+ Khi MS chuyển vùng định vị
Mục đích là để xác định xem MS có phải là thuê bao của mình hay không. Nhận
thực là cách kiểm tra quyền truy nhập của các thuê bao
- Bộ ba chìa khóa mật mã:
+ Số ngẫu nhiên R: lấy ngẫu nhiên mỗi khi cần nhận thực
+ Mật khẩu S: dùng để hỏi đáp
+ Khóa mật mã kc: khóa để mật mã tin tức
AUC tạo ra các bộ ba chìa khóa và được lưu giữ trong MSC dự trữ cho các thuê
bao đang nằm trong vùng đó.
- Trình tự nhận thực:
R
S
BTS MS
BTS phát số ngẫu nhiên R cho MS. MS phát mật khẩu S vào mạng, mạng sẽ
kiểm tra xem giá trị S có đúng hay không.
CHƯƠNG II
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 27
Đồ án tốt nghiệp
LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN TỪ GSM LÊN 3G
I. GIỚI THIỆU
Hệ thống thông tin di động GSM cung cấp các dịch vụ thoại và số liệu trên cơ sở chuyển mạch kênh băng thông hẹp. Do đó tốc độ truyền thấp, 13 kbit/s với truyền thoại và 9,6 kbit/s với truyền số liệu. Tốc độ này 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 lên một hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3. Con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng. Trên thị trường châu Âu, W-CDMA được gọi là hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Trong cấu trúc dịch vụ 3G cần có băng thông rất lớn và như thế cần nhiều phổ tần hơn. 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. Nói chung 2,5G bao gồm một hoặc tất cả các công nghệ sau:
- Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD)
- Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS)
- Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GMS (EDGE)
II. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN TỪ GSM LÊN 3G
GSM
HSCSD
GPRS
EDGE
W-CDMA
Lộ trình nâng cấp GSM lên W-CDMA như sau:
HSCSD (High Speed Circuit Switched Data): Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ
cao.
GPRS (General Packet Radio Service): Dịch vụ vô tuyến gói chung.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ số liệu tăng cường để
phát triển GSM.
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access): Đa truy cập phân mã
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 28
băng rộng.
Đồ án tốt nghiệp
1.Công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD
GSM chỉ hỗ trợ các dịch vụ số liệu với tốc độ cực đại mà một khe thời gian có thể cung cấp là 9,6 kbit/s. Để hỗ trợ tốc độ số liệu cao hơn cho GSM, MS phải sử dụng nhiều khe thời gian. Công nghệ HSCSD sử dụng nguyên tắc này.
Công nghệ HSCSD cho phép nâng cao khả năng truyền số liệu trên mạng GSM bằng cách cấp phát nhiều khe thời gian hơn cho người sử dụng. HSCSD phối hợp 4 kênh thoại GSM 14,4 kbit/s thành một kênh 57,6 kbit/s. Đối với dịch vụ số liệu thì tốc độ tối đa là 64 kbit/s đạt được với 4 khe thời gian. Dữ liệu truyền trong dịch vụ HSCSD được hình thành dưới dạng các luồng song song để đưa vào các khe thời gian khác nhau và chúng sẽ được kết hợp lại tại đầu cuối. Tất cả các khe thời gian sử dụng trong một kết nối HSCSD phải thuộc về cùng một sóng mang. Việc cấp phát các khe thời gian phụ thuộc vào thủ tục cấp phát khe thời gian.
Công nghệ HSCSD được triển khai dựa trên cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng GSM, chỉ cần nâng cấp phần mềm hiện có mà không cần lắp đặt thêm các phần tử mạng mới. Nó cho phép cấp phát tài nguyên không đối xứng ở giao diện vô tuyến. Tuy nhiên do vẫn sử dụng chuyển mạch kênh nên hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến của HSCSD không cao.
Giao diện vô tuyến
Abis
A
TRAU
TE
MT
BTS
MSC
IWF
PDN PLMN ISDN PSPDN
TAF
BSC
Kênh nx 16 kbit/s
Kênh 64 kbit/s
nx các kênh toàn tốc nx khe thời gian/khung TDMA
Cấu trúc hệ thống HSCSD:
Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống HSCSD
TE (Terminal Equipment): Thiết bị đầu cuối
MT (Mobile Terminal): Máy di động đầu cuối
TAF (Terminal Adaptation Function): Chức năng thích ứng đầu cuối
IWF (Interworking Function): Chức năng kết nối mạng
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 29
- Chức năng thích ứng đầu cuối TAF:
Đồ án tốt nghiệp
Đóng vai trò tiếp nhận số liệu của thiết bị đầu cuối TE đưa tới và chia chúng vào các khe thời gian đã được chọn trước. Mỗi khe thời gian mang số liệu với các tốc độ được chuẩn hóa 1,2 kbit/s; 2,4 kbit/s; 4,8 kbit/s; 9,6 kbit/s; 14,4 kbit/s.
- MT và giao diện vô tuyến:
Số liệu từ TAF đưa tới đầu cuối di động MT, tại đây mỗi khe thời gian được mã hóa kênh. Đầu ra sau mã hóa là luồng số liệu tốc độ 22,8 kbit/s cho mỗi khe thời gian và nó được chuyển tới giao diện vô tuyến.
- Trạm thu phát gốc BTS:
BTS tiếp nhận luồng số liệu từ giao diện vô tuyến, nó thực hiện giải mã cho mỗi khe thời gian để thu được luồng số liệu có tốc độ phù hợp với khung TRAU (16 kbit/s). Sau đó luồng số liệu được chuyển tới khối TRAU đặt tại bộ điều khiển trạm gốc BSC. Các khung TRAU 16 kbit/s được gửi tới BSC thông qua giao diện Abis.
- Giao diện Abis:
Các khung TRAU 16 kbit/s được gửi tới BSC thông qua giao diện Abis.
- Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU:
TRAU tiếp nhận các khung số liệu 16 kbit/s từ giao diện Abis và nó định dạng lại
thông tin của mỗi luồng số liệu thành dạng A - TRAU để truyền đi trên giao diện A.
- Giao diện A:
Cho phép chứa được 4 khung A-TRAU tốc độ 16 kbit/s từ một người sử dụng
đưa đến. Các khung này được ghép lại với nhau để phát đi trên một đường 64 kbit/s.
- Trung tâm chuyển mạch di động MSC và các khối IWF:
MSC tiếp nhận các khung A-TRAU của đường kết nối 64 kbit/s và định tuyến chúng thông qua IWF. Sau khi tiếp nhận, khối IWF lấy ra các thông tin số liệu trong A- TRAU và kết hợp chúng thành những luồng số liệu ghép trước khi chuyển tới các modem của mình. Modem tiếp nhận số liệu và định tuyến chúng qua mạng PSTN tới các modem đích và các thiết bi đầu cuối số liệu DTE (Data Terminal Equipment) ở nơi khác.
2. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS
2.1 Giới thiệu GPRS
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 30
GPRS (General Packet Radio Service) là công nghệ chuyển mạch gói được các nhà khai thác GSM lựa chọn như là một bước chuẩn bị cơ sở hạ tầng kỹ thuật để tiến lên 3G. Nó sẽ giúp các nhà khai thác có thể triển khai nhiều ứng dụng đối với mạng điện
Đồ án tốt nghiệp
thoại di động. GPRS hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao cho GSM với tốc độ tối đa đường truyền có thể đạt 171,2 kbit/s. Nhờ đó có thể truy cập Internet từ MS có tính năng WAP (Wireless Application Protocol) để gửi tin nhắn hình ảnh và âm thanh. Và có thể truy cập mạng Internet để gửi email, nhận fax, truy cập các cơ sở dữ liệu. GPRS cho phép cung cấp dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS – Multimedia Message Service) và dịch vụ truyền ảnh động VTS (Video Streaming). Đặc biệt với tính năng luôn luôn kết nối, mạng GPRS cho phép người sử dụng vừa có thể kết nối mạng Internet vừa có thể đàm thoại đồng thời. Một MS trong mạng GPRS có thể truy nhập đến nhiều khe thời gian. Với GPRS, người sử dụng có thể dùng chung một tài nguyên vô tuyến. Vì thế hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất cao, cước phí truy cập mạng cũng chỉ tính theo lưu lượng dữ liệu được truyền tải.
Giao diện vô tuyến của GPRS được xây dựng trên cùng nền tảng như giao diện vô tuyến của GSM, cùng sóng mang vô tuyến độ rộng 200KHz và 8 khe thời gian. Như vậy cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đều có thể sử dụng cùng sóng mang. Tuy nhiên mạng đường trục của GPRS được thiết kế sao cho nó không phụ thuộc vào giao diện vô tuyến. Mạng GPRS là một mạng số liệu gói được xây dựng trên cơ sở cấu trúc mạng GSM, vì vậy việc đưa chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết bị cho mạng.
2.2 Các đặc điểm của mạng GPRS
- Sử dụng công nghệ chuyển mạch gói:
Với việc sử dụng công nghệ chuyển mạch gói, một thiết bị có thể luôn luôn được kết nối và sẵn sàng gửi một thông tin mà không cần chiếm dụng một kênh riêng trong suốt thời gian truyền số liệu và kênh có thể được chia sẻ cho nhiều người dùng khác nhau. Điều này mạng chuyển mạch kênh không thể làm được. Ngoài ra, trong GPRS nếu một lỗi được phát hiện trong một khung dữ liệu thu được trong BSS thì khung sẽ được yêu cầu phát lại cho đến khi chính xác trước khi gửi qua mạng lõi GPRS.
- Cho phép kết hợp nhiều khe thời gian để truyền dữ liệu:
GPRS sử dụng cùng một sóng mang với băng thông 200 KHz và 8 khe thời gian như GSM. Tuy nhiên trong GPRS có thể kết hợp các khe trong số 8 khe thời gian để truyền dữ liệu nên số gói dữ liệu truyền đi trong mỗi khung truyền tăng lên. Kết hợp việc cấp phát tài nguyên động nên hiệu quả sử dụng băng tần tăng lên đáng kể.
- Kết nối tức thời và tính cước thuận lợi:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 31
GPRS dễ dàng kết nối tức thời và người dùng có thể thiết lập luôn kết nối mà không chiếm dụng tài nguyên, do đó thông tin có thể gửi hoặc nhận tức thời ngay khi có
Đồ án tốt nghiệp
nhu cầu. Tức thời là một ưu điểm của GPRS khi so sánh với số liệu chuyển mạch kênh GSM vì nó đáp ứng được các ứng dụng có tính cấp bách.
Trong chuyển mạch kênh thì việc tính cước là toàn bộ thời gian chiếm dụng kênh mặc dù có những khoảng thời gian không có dữ liệu được gửi đi. Với GPRS chỉ tính cước theo dung lượng được gửi đi. Điều này thuận lợi cho việc kết nối trực tuyến với mạng trong thời gian dài.
-Hỗ trợ các dịch vụ băng rộng:
Cũng như Internet, GPRS sử dụng công nghệ chuyển mạch gói và các giao thức trong họ TCP/IP nên tất cả các ứng dụng như email, truy cập Web tin nhanh và truyền file đều có thể thực hiện qua mạng GPRS. Tốc độ truyền số liệu nhanh hơn cho phép GPRS chứa đựng các ứng dụng băng rộng vốn không thích hợp với các kết nối quay số chậm hơn như GSM.
- Tính bảo mật cao hơn:
GPRS cho phép thêm vào các giao thức sử dụng cho nhận thực trước khi thuê bao được phép truy cập vào Internet hoặc các mạng số liệu khác. GPRS phụ trợ việc mã hóa dữ liệu người dùng qua giao diện Wireless từ đầu cuối di động đến SGSN (nút hỗ trợ dịch vụ).
- Hiệu quả trong việc sử dụng phổ:
Trong GPRS tài nguyên vô tuyến chỉ được sử dụng khi người sử dụng thực tại đang gửi hoặc nhận dữ liệu. Một tài nguyên vô tuyến hiện có có thể được chia sẻ đồng thời giữa vài người sử dụng khác nhau. Nhờ hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến này mà một số lớn người sử dụng GPRS có thể chia sẻ cùng một băng thông và được phục vụ từ cùng một cell.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 32
2.3. Cấu trúc của mạng GPRS
Đồ án tốt nghiệp
SMS-C SMS-GMSC SMS-IWMSC
E C
Gd TE
D R HLR MSC/ VLR MT
Cs Gr Gc A Um
Gb Gn Gi PDN BTS BSC PCU GGSN SGSN
Gn Gp Gf
Báo hiệu
SGSN EIR
Báo hiệu và lưu lượng
GGSN Mạng PLMN khác
Hình 2.2 Cấu trúc mạng GPRS
Các phần tử trong mạng GPRS
- Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN - Serving GPRS Support Node): thực hiện các
chức năng chính sau:
+ Quản lý việc di chuyển của các đầu cuối GPRS bao gồm việc quản lý nhập mạng, rời mạng của thuê bao; mật mã, bảo mật của người sử dụng; quản lý vị trí hiện thời của thuê bao…
+ Định tuyến và truyền các gói dữ liệu giữa các máy đầu cuối GPRS. Các luồng
được định tuyến từ SGSN đến BSC thông qua BTS đến MS.
+ Quản lý trung kế logic tới đầu cuối di động bao gồm việc quản lý các kênh lưu
lượng gói, lưu lượng nhắn tin ngắn SMS và tín hiệu giữa các máy đầu cuối với mạng.
+ Xử lý các thủ tục dữ liệu gói PDP (Packet Data Protocol) bao gồm các thông số quan trọng như tên điểm truy nhập, chất lượng dịch vụ khi kết nối với một mạng dữ liệu khác bên ngoài hệ thống.
+ Quản lý các nguồn kênh tài nguyên BSS.
+ Cung cấp các file tính cước dành cho dữ liệu gói.
+ Quản lý truy nhập, kiểm tra truy nhập các mạng dữ liệu ngoài bằng mật mã và
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 33
sự xác nhận.
Đồ án tốt nghiệp
- Nút hỗ trợ cổng GPRS(GGSN - Gateway GPRS Support Node):
Là điểm giao diện với các mạng số liệu gói bên ngoài. Một SGSN có thể giao diện với một hay nhiều GGSN. Đây là giao diện trên cơ sở IP được sử dụng để mang báo hiệu và số liệu người sử dụng. Giao diện này truyền xuyên số liệu giữa SGSN và GGSN qua mạng đường trục IP. GGSN chuyển đổi các gói dữ liệu GPRS đến từ SGSN thành khuôn dạng giao thức dữ liệu gói (PDP).
Chức năng chính của GGSN:
+ Hỗ trợ giao thức định tuyến cho dữ liệu máy đầu cuối.
+ Giao tiếp với các mạng dữ liệu gói IP bên ngoài.
+ Cung cấp chức năng bảo mật mạng.
+ Quản lý phiên GPRS theo mức IP, thiết lập thông tin đến mạng bên ngoài.
+ Cung cấp dữ liệu tính cước (CDRs - Charging Data Records ).
- Hệ thống trạm gốc BSS
BSS cung cấp tất cả các chức năng điều khiển và truyền dẫn thông tin vô tuyến
của mạng, bao gồm:
+ Khối điều khiển dữ liệu gói PCU: có nhiệm vụ kết hợp các chức năng điều khiển vô tuyến GPRS (điều khiển truy nhập giao diện vô tuyến) với phần hệ thống trạm gốc BSS của mạng GSM. PCU định tuyến các bản tin báo hiệu và truyền tải dữ liệu của người sử dụng. PCU sẽ lắp ráp và sắp xếp lại dữ liệu để chuyển tới SGSN. Tại PCU các khối dữ liệu RLC sẽ được sắp xếp trong khung LLC (điều khiển liên kết logic), sau đó được chuyển tới SGSN. PCU đặt tại BSC và phục vụ BSC đó.
+ Bộ điều khiển trạm gốc BSC: trong mạng GPRS, BSC đóng vai trò trung tâm phân phối, định tuyến dữ liệu và thông tin báo hiệu GPRS. BSC có thể thiết lập, giám sát và hủy bỏ kết nối của các cuộc gọi chuyển mạch kênh cũng như chuyển mạch gói.
+ Trạm gốc BTS: cung cấp khả năng ấn định kênh vật lý tại các khe thời gian cho cuộc gọi chuyển mạch kênh trong mạng GSM và dữ liệu chuyển mạch gói trong mạng GPRS. BTS kết hợp với BSC để thực hiện các chức năng về vô tuyến.
- Phần chuyển mạch:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 34
MS của
Operator1
+ MSC/VLR: Được sử dụng cho việc đăng ký và liên lạc với thuê bao nhưng không đóng vai trò gì trong việc định tuyến dữ liệu GPRS. Trong hệ thống GSM, MSC/VLR không được dùng cho thủ tục nhận thực thuê bao như trong hệ thống GSM mà thay vào đó là HLR. Do đó SGSN sẽ nhận bộ ba thông số dành cho việc nhận thực từ HLR/AUC.
Mạng số
liệu
Đồ án tốt nghiệp
+ HLR/AUC: HLR lưu giữ tất cả các thông tin về thuê bao GSM cũng như GPRS. Thông tin về thuê bao GPRS được trao đổi giữa HLR với SGSN. HLR thực hiện quản lý di động cho các thuê bao GPRS bằng cách lưu trữ các thông tin định tuyến của các thuê bao GPRS từ vùng cập nhật vị trí trong SGSN và báo cho SGSN cũ biết sự thay đổi vị trí của thuê bao. HLR được sử dụng trực tiếp cho việc nhận thực thuê bao thay cho MSC/VLR.
AUC cung cấp bộ ba thông số nhận thực và thực hiện mã hóa đường truyền.
+ EIR: thực hiện các chức năng như trong hệ thống GSM. EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến thiết bị đầu cuối MS, nó được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự hợp pháp của thiết bị.
- Thiết bị cung cấp dịch vụ nhắn tin ngắn SMS-GMSC (tổng đài di động có cổng cho dịch vụ SMS) và SMS-IWMSC (tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ SMS):
Được kết nối với SGSN qua giao diện Gd nhằm cung cấp khả năng truyền tải các
bản tin ngắn.
- Thiết bị đầu cuối GPRS (MS):
Có thể chia làm 3 loại:
+ Loại 1: Hỗ trợ sử dụng đồng thời các dịch vụ thoại và số liệu. Người sử dụng loại 1 có thể vừa nói chuyện vừa truyền số liệu GPRS cùng một lúc (sử dụng cả hai dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đồng thời).
+ Loại 2: Hỗ trợ đồng thời việc nhập mạng GPRS và nhập mạng GSM nhưng không cho phép sử dụng đồng thời cả hai dịch vụ. Người sử dụng loại 2 có thể được đăng ký ở mạng GSM và mạng GPRS đồng thời nhưng không thể vừa nói chuyện vừa truyền số liệu.
+ Loại 3: Có thể nhập mạng GPRS hoặc GSM nhưng không thể nhập đồng thời cả hai mạng. Tại một thời điểm nhất định, thiết bị loại 3 hoặc là thiết bị GSM hoặc là thiết bị GPRS. Nếu đã nhập một loại dịch vụ thì có thể coi rằng thiết bị đã rời bỏ dịch vụ kia.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 35
MS của
Operator1
- Mạng đường trục GPRS (Backbone):
Mạng số
liệu
Operator 2
Operator 1
GPRS Register
GPRS Register
Đồ án tốt nghiệp
MS của Operator1
MS của Operator1
Mạng inter backbone
Mạng intra backbone
Mạng intra backbone
Mạng số
liệu
Mạng nội hạt
Hình 2.3 Mạng đường trục của GPRS
Mạng Backbone kết hợp một số giao diện chuẩn dữ liệu chuẩn dùng để kết nối
giữa các nút SGSN, GGSN và các mạng dữ liệu bên ngoài. Có hai loại mạng Backbone:
- Mạng intra-backbone: Kết nối các phần tử trong cùng một PLMN như các nút
SGSN, GGSN.
- Mạng inter-backbone: Dùng để kết nối giữa các mạng intra-backbone của hai
PLMN khác nhau thông qua cổng BG (Border Gateway).
Mạng Backbone giải quyết vấn đề tương tác giữa các mạng GPRS. Lý do chính mà hệ thống hỗ trợ vấn đề tương tác giữa các mạng GPRS là để cho phép roaming giữa các thuê bao GPRS. Các thuê bao roaming sẽ có một địa chỉ PDP được cấp phát bởi mạng PLMN chủ, một router chuyển tiếp giữa mạng PLMN chủ và mạng PLMN mà thuê bao di chuyển đến. Định tuyến này được dùng cho cả thuê bao đã hoàn toàn hay bắt đầu truyền dữ liệu. Thông tin được truyền thông qua các cổng biên BG.
2.4. Giao thức trong mạng GPRS
Các giao thức của GPRS cung cấp các chức năng điều khiển và truyền tải dữ liệu
trên mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng truyền dẫn.
* Các giao thức trong mặt phẳng truyền dẫn:
- Giao thức tạo đường hầm GTP (GPRS Tunnelling Protocol): phục vụ cho việc
truyền tải dữ liệu giữa các nút GSN trong mạng đường trục GPRS.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 36
- Giao thức điều khiển truyền dẫn/giao thức dữ liệu gói người sử dụng TCP/UDP: TCP chuyển các khối dữ liệu gói PDU của giao thức GTP trong mạng đường trục GPRS cho các giao thức cần thiết để liên kết dữ liệu tin cậy. TCP cung cấp khả năng điều khiển luồng và bảo vệ chống lại sự thất thoát hay ngắt quãng các PDU của GTP.
Đồ án tốt nghiệp
- Giao thức IP (Internet Protocol): được sử dụng trong mạng đường trục GPRS,
phục vụ cho việc báo hiệu và định tuyến dữ liệu.
- Điều khiển kết nối logic LLC (Logical Link Control): cung cấp liên kết dữ liệu tin cậy giữa máy đầu cuối và SGSN đang phục vụ máy đầu cuối đó. LLC phục vụ truyền tải các PDU giữa máy đầu cuối và SGSN, phát hiện và khôi phục các PDU của LLC bị thất lạc hoặc ngắt quãng.
- Chuyển tiếp (Relay): Trong BSC chức năng này sẽ chuyển tiếp các PDU của LLC giữa giao diện Um và Gb. Tại SGSN nó sẽ chuyển tiếp các PDU của PDP giữa các giao diện Gb và Gn.
- Điều khiển kết nối vô tuyến/điều khiển truy nhập môi trường RLC/MAC: RLC cung cấp một liên kết tin cậy trên giao diện vô tuyến. MAC điều khiển các thủ tục báo hiệu truy nhập trên kênh vô tuyến và sắp xếp các khung LLC vào các kênh vật lý.
* Các giao thức trong mặt phẳng báo hiệu:
- Điều khiển việc truy nhập mạng GPRS như nhập mạng và rời mạng
- Điều khiển thiết lập các kết nối trong mạng như quá trình khởi hoạt một địa chỉ
PDP
- Điều khiển việc định tuyến trong mạng
- Điều khiển việc ấn định, cấp phát tài nguyên.
2.5 Giao diện vô tuyến
a. Lớp vật lý của GPRS
Được chia làm 2 lớp con:
- Lớp RF vật lý (Physical RF Layer): thực hiện chức năng truyền dẫn cơ bản, thu
nhận như điều chế và giải điều chế. Sau đó truyền lên lớp đường truyền vật lý.
- Lớp đường truyền vật lý (PLL – Physical Link Layer): thực hiện chức năng đóng khung đơn vị dữ liệu, mã hóa, hiệu chỉnh lỗi truyền dẫn trung kế vật lý và ghép xen. Ngoài ra còn cung cấp chức năng cho việc lựa chọn lại cell, điều khiển công suất.
b. RLC/MAC của GPRS
Tên đầy đủ của lớp 2 là điều khiển truy nhập môi trường MAC và lớp điều khiển
liên kết vô tuyến RLC. MAC là lớp con thấp còn RLC là lớp con cao hơn.
*Các chức năng của MAC:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 37
- MAC cho phép nhiều MS chia sẻ một tài nguyên truyền dẫn chung. MAC cho phép một MS sử dụng song song một vài kênh vật lý, nghĩa là sử dụng một vài khe thời
Đồ án tốt nghiệp
gian trong khung TDMA. Đối với lưu lượng dữ liệu kết cuối di động, thực thể MAC cung cấp các thủ tục xếp hàng và lập lịch của những lần cố gắng truy nhập. Đối với lưu lượng dữ liệu được khởi đầu bằng di động, MAC cung cấp cách xử lý giữa các máy di động cố gắng truy nhập môi trường được chia sẻ cùng lúc.
- MAC cung cấp cách ghép kênh hiệu quả dữ liệu và báo hiệu trên cả hai hướng
đường lên và đường xuống.
- Đối với truy cập kênh được khởi đầu bởi di động, MAC giải quyết tranh chấp
giữa những lần cố gắng truy cập kênh bao gồm dò tìm và khôi phục xung đột.
- Đối với kênh kết cuối di động, MAC lập biểu những lần cố gắng truy cập,
những lần này có thể sắp xếp các lần truy cập gói.
- MAC xử lý ưu tiên.
*Các chức năng của RLC:
- Giao diện Um cho phép truyền các LLC PDU giữa lớp LLC và lớp con MAC.
- Phân đoạn các LLC PDU thành các khối dữ liệu RLC tại bên truyền và ráp lại
tại bên nhận.
- Các thủ tục hiệu chỉnh lỗi trở lại cho phép truyền lại có chọn lọc các khối dữ
liệu RLC được phân phối không thành công.
- Sự thích ứng liên kết, đó là truyền các từ mã tùy theo các điều kiện của kênh.
c. Lớp điều khiển đường truyền logic LLC
LLC cung cấp một trung kế kết nối logic đáng tin cậy hơn giữa SGSN và MS cũng như bắc cầu cho hai giao tiếp Gb và Um. Ngoài ra LLC cũng được thiết kế để không phụ thuộc vào các giao thức vô tuyến cơ bản nhằm có thể đưa ra các giải pháp vô tuyến GPRS thay đổi về sau. Cấu trúc khung LLC bao gồm:
- Trường địa chỉ: gồm một byte nhận dạng điểm truy nhập (SAPI), một bit phân
biệt giao thức PD và một bit C/R (Command/Respone).
- Trường điều khiển điển hình: gồm từ 1 đến 3 byte dùng để xác định kiểu
khung.
2.6. Các chức năng của GPRS
* Các chức năng điều khiển truy nhập mạng
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 38
Truy nhập mạng là một phương thức mà một người sử dụng kết nối với mạng để có thể sử dụng các dịch vụ và các phương tiện của mạng đó. Giao thức truy nhập là một tập xác định các thủ tục cho phép khai thác các dịch vụ và phương tiện mạng. Người
Đồ án tốt nghiệp
truy cập GPRS có thể từ bên di động hoặc bên cố định của mạng GPRS. Giao diện phía mạng cố định có thể hỗ trợ nhiều giao thức truy nhập tới các mạng dữ liệu ngoài (X.25, IP). Phần quản lý của mỗi PLMN có thể yêu cầu các thủ tục điều khiển truy nhập riêng cho phép người truy nhập mạng hay giới hạn thuê bao sử dụng các dịch vụ. Ngoài việc truyền dẫn dữ liệu theo chuẩn điểm - điểm (PTP – Point to Point), điểm – đa điểm (PTM – Point to Multi Point), GPRS hỗ trợ thêm loại truy nhập ngầm định (anonymous) tới mạng. Dịch vụ này cho phép MS trao đổi các gói dữ liệu với host xác định trước được đánh địa chỉ bởi các giao thức liên mạng đã được xác định. Tuy nhiên chỉ có một số địa chỉ đích PDP nhất định sử dụng trong dịch vụ này. IMSI hoặc IMEI sẽ không được sử dụng trong khi truy nhập mạng do bảo mật ngầm định cao. Do đó các chức năng nhận thực và mã hóa không được xét trong kiểu truy nhập ngầm định.
- Chức năng đăng ký:
Đăng ký là phương thức mà người sử dụng dùng IP Mobile (nhận dạng di động) để liên kết với các giao thức và địa chỉ của gói dữ liệu trong mạng PLMN cũng như liên kết với các điểm truy nhập ra mạng PDP ngoài. Kết nối này có thể là liên kết tĩnh (được lưu trữ trong HLR) hoặc động (được ấn định theo yêu cầu cần thiết).
- Chức năng nhận thực và cấp phép:
Chức năng này thực hiện việc nhận dạng và nhận thực người yêu cầu dịch vụ, hợp thức hóa loại yêu cầu dịch vụ để đảm bảo rằng thuê bao được phép sử dụng các dịch vụ mạng. Chức năng nhận thực được thực hiện kết hợp với chức năng quản lý di động.
- Chức năng điều khiển tiếp nhận:
Mục đích của điều khiển tiếp nhận là xác định các tài nguyên mạng nào cần cung cấp theo đúng yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS. Nếu các tài nguyên này được phép thì nó phải tiến hành đặt trước. Điều khiển tiếp nhận được thực hiện kết hợp với các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến của mạng để đảm bảo những yêu cầu sử dụng tài nguyên vô tuyến trong mỗi cell.
- Chức năng giám sát bản tin:
Chức năng này được thực hiện bởi chức năng lọc gói tin trong các rounter và các firewall cho phép truyền hay loại bỏ các bản tin không hợp lệ, tránh sự xâm nhập trái phép từ bên ngoài.
- Chức năng tương thích đầu cuối:
Chức năng này thực hiện thích ứng các gói dữ liệu nhận hoặc truyền tới thiết bị
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 39
đầu cuối với phương thức truyền qua mạng GPRS.
Đồ án tốt nghiệp
- Chức năng thu thập dữ liệu tính cước:
Chức năng này thu thập các dữ liệu cần thiết để tính cước thuê bao hoặc tính cước lưu lượng. Cước phí được tính bằng số lượng byte sử dụng. Thông tin tính cước do các SGSN và GGSN thu thập. SGSN lưu thông tính cước của mỗi thuê bao liên quan tới việc sử dụng mạng vô tuyến trong khi GGSN lưu các thông tin tính cước liên quan tới việc dùng mạng dữ liệu bên ngoài của mỗi thuê bao. Trên cơ sở đó nhà khai thác mạng GPRS sẽ sử dụng các thông tin này để tạo ra hóa đơn tính cước cho từng thuê bao.
Thông tin tính cước tối thiểu mà SGSN thu thập bao gồm:
+ Mức độ sử dụng giao diện vô tuyến: thông tin tính cước về số lượng dữ liệu được truyền theo hướng MS phát đi và MS thu về, được phân loại theo chất lượng dịch vụ QoS và các giao thức người sử dụng.
+ Mức độ sử dụng địa chỉ giao thức gói dữ liệu: thông tin tính cước ghi lại thời
gian MS sử dụng các giao thức gói dữ liệu PDP của MS.
+ Mức độ sử dụng tài nguyên chung của GPRS: thông tin tính cước sẽ mô tả mức độ sử dụng của thuê bao đối với các tài nguyên khác nhau có liên quan tới GPRS cũng như các hoạt động trong mạng GPRS của MS.
+ Vị trí của MS: các thông tin về HPLMN, VPLMN và có thể thêm các thông tin
vị trí với độ chính xác cao hơn.
Thông tin tính cước tối thiểu mà GGSN thu thập bao gồm:
+ Địa chỉ đích và địa chỉ nguồn của thông tin trao đổi: mức độ chính xác của
thông tin này được xác định bởi nhà khai thác GPRS.
+ Mức độ sử dụng mạng dữ liệu ngoài: các thông tin về khối lượng dữ liệu được
gửi đi và nhận từ các mạng dữ liệu ngoài.
+ Mức độ sử dụng các địa chỉ giao thức dữ liệu gói: thông tin tính cước lưu lại
thời gian MS sử dụng các địa chỉ giao thức dữ liệu gói PDP của MS.
+ Vị trí của MS: các thông tin về HPLMN, VPLMN và có thể thêm các thông tin
vị trí với độ chính xác cao hơn.
* Chức năng định tuyến và truyền dẫn gói
- Chức năng chuyển tiếp:
Là một phương thức mà một nút mạng chuyển các đơn vị dữ liệu gói PDU nhận
được từ một nút rồi chuyển tới một kênh đầu ra thích hợp cho nút tiếp theo trong tuyến.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 40
- Chức năng định tuyến:
Đồ án tốt nghiệp
Chức năng định tuyến sử dụng địa chỉ đích trong bản tin để xác định nút nhận bản tin và sử dụng các dịch vụ ở lớp dưới để đưa các bản tin này tới GSN. Chức năng định tuyến sẽ lựa chọn đường truyền cho hop tiếp theo trong tuyến.
Các chức năng định tuyến và truyền dẫn gói:
+ Định tuyến và truyền dẫn gói giữa thiết bị di động và mạng ngoài.
+ Định tuyến và truyền dẫn gói giữa thiết bi di động và mạng PLMN GPRS
khác.
+ Định tuyến và truyền dẫn gói giữa các thiết bị di động khác nhau.
- Chức năng phiên dịch và sắp xếp địa chỉ:
Phiên dịch địa chỉ là sự chuyển đổi một địa chỉ loại này thành một địa chỉ loại khác. Chức năng phiên dịch và sắp xếp địa chỉ chuyển đổi địa chỉ giao thức mạng ngoài thành địa chỉ mạng nội bộ nhằm phục vụ cho việc định tuyến các gói tin trong mạng PLMN hoặc giữa các mạng PLMN.
- Chức năng đóng gói:
GPRS truyền trong suốt PDP PDU giữa mạng ngoài và MS. Các PDP được đóng gói và tách gói nhằm phục vụ định tuyến trong mạng. Đóng gói cho phép gắn thêm thông tin điều khiển và địa chỉ vào một PDU. Tách gói là quá trình tách địa chỉ và thông tin điều khiển từ gói để lấy ra đơn vị dữ liệu ban đầu. Chức năng đóng gói được thực hiện giữa các SGN trong backbone và giữa các SGSN và MS.
- Chức năng Tunnelling:
Tunnelling là một phương thức truyền dẫn các PDU đã được đóng gói trong hoặc giữa các mạng PLMN từ một điểm đóng gói tới một điểm tách gói. Tunnel (đường hầm) là một giao tuyến hai chiều kết nối điểm - điểm nhưng chỉ có điểm cuối của tunnel là được xác định.
- Chức năng nén:
Chức năng này cho phép sử dụng tối ưu dung lượng của phần vô tuyến bằng cách
truyền đi các SDU càng nhỏ càng tốt mà vẫn đảm bảo nội dung trong nó.
- Chức năng mã hóa:
Cho phép bảo mật dữ liệu và dữ liệu của người sử dụng qua các kênh vô tuyến và
bảo vệ mạng PLMN từ những người xâm phạm.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 41
- Chức năng quản lý tên miền:
Đồ án tốt nghiệp
Là chức năng Internet chuẩn đảm bảo thống nhất tương ứng giữa tên gọi, chức
năng và địa chỉ của các GSN trong mạng.
* Các chức năng quản lý di động
Chức năng này thực hiện tương tự như trong hệ thống GSM. Các chức năng quản lý di động được sử dụng để theo dõi vị trí hiện tại của MS trong mạng PLMN hoặc trong mạng PLMN khác.
Mỗi vùng định tuyến được phục vụ bởi một SGSN. Việc theo dõi vị trí của MS
phụ thuộc vào trạng thái quản lý di động như sau:
+ Khi MS trong trạng thái Stanby (chờ): vị trí của MS được biết ở cấp một vùng
định tuyến.
+ Khi MS trong trạng thái Ready (sẵn sàng): vị trí của MS được biết ở cấp một
cell.
- Các trạng thái của MS:
GPRS có 3 trạng thái quản lý di động khác nhau:
+ Trạng thái rỗi: trạng thái này được sử dụng khi thuê bao MS không hoạt động (không khai báo kết nối mạng GPRS). Trong trạng thái rỗi, thuê bao không được gán chức năng quản lý di động. Các nội dung của MS và SGSN không chứa các thông tin định tuyến và thông tin vị trí thuê bao. Việc nhắn tin và truyền dữ liệu không được thực hiện nhưng MS có thể nhận dữ liệu trong dịch vụ điểm – đa điểm. Để thiết lập các chức năng quản lý di động trong MS và SGSN, MS phải thực hiện thủ tục khai báo kết nối mạng GPRS.
+ Trạng thái chờ: Trong trạng thái này, thuê bao đã khai báo kết nối mạng và được quản lý di động. Lúc này mạng biết MS đang nằm ở một vùng định tuyến nào. MS có thể nhận các trang nhắn tin báo hiệu, dữ liệu và có thể cả các trang nhắn của dịch vụ chuyển mạch kênh. Trạng thái này chưa thể truyền và nhận dữ liệu. MS thực hiện lựa chọn vùng định tuyến GPRS và chọn ô cục bộ. MS sử dụng các thủ tục di động để khai báo cho SGSN khi vào vùng định tuyến mới nhưng không cần thông báo khi thay đổi cell trong cùng một vùng định tuyến. Do đó thông tin về vị trí của MS trong quản lý di động của SGSN chỉ chứa số nhận dạng vùng định tuyến. Nếu hết thời gian chờ, MS chuyển về trạng thái rỗi và việc quản lý di động hết hiệu lực. Nếu MS cần gửi dữ liệu thì nó chuyển sang trạng thái sẵn sàng.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 42
+ Trạng thái sẵn sàng: MS thực hiện các thủ tục quản lý di động và mạng biết thuê bao đang ở cell nào. SGSN gửi dữ liệu tới MS mà không cần tìm gọi MS và MS gửi dữ liệu tới SGSN bất cứ lúc nào. Quản lý di động vẫn được duy trì trong trạng thái
Đồ án tốt nghiệp
sẵn sàng dù MS có hay không được cung cấp tài nguyên vô tuyến thậm chí khi không có dữ liệu được truyền. Trạng thái sẵn sàng được giám sát bởi một bộ định thời. Một phiên quản lý di động sẽ chuyển từ trạng thái sẵn sàng sang trạng thái chờ khi bộ định thời sẵn sàng kết thúc.
- Chức năng gán/tách GPRS:
Là chức năng quản lý di động nhằm thiết lập hay kết thúc kết nối tới mạng GPRS. SGSN đóng vai trò tiếp nhận yêu cầu gán/tách và xử lý chúng. Việc khai báo kết nối mạng (gán GPRS), thuê bao di động chuyển sang trạng thái sẵn sàng và nội dung quản lý di động được thiết lập, MS được nhận thực, khóa mã được tạo ra, đường kết nối có mã hóa được thiết lập và MS được cấp phát một TLLI (nhận dạng kênh logic tạm thời). SGSN nhận thông tin về thuê bao từ HLR, sau khi thực hiện một gán GPRS, SGSN sẽ luôn bám theo vị trí của MS. Lúc này MS có thể nhận và gửi SMS nhưng không thu phát được số liệu. Để chuyển giao số liệu, trước tiên MS phải thực hiện kích hoạt nội dung giao thức số liệu gói. Khi thuê bao muốn kết thúc một kết nối tới mạng GPRS thì nó thực hiện tách GPRS. Việc thực hiện tách GPRS cho phép MS chuyển sang trạng thái rỗi và ngắt toàn bộ nội dung quản lý di động.
Có hai kiểu để MS kết thúc kết nối tới mạng:
+ Mạng (SGSN) gửi yêu cầu tách tới MS hoặc MS gửi yêu cầu tách hoàn toàn tới
SGSN.
+ Mạng ngắt kết nối mà không thông báo cho MS khi đạt tới định thời di động
hoặc khi có lỗi vô tuyến không thể khôi phục gây ra mất kết nối kênh logic.
MS có thể thực hiện tách GPRS từ mạng theo chế độ mặc định khi thời gian chờ
hết hiệu lực nhưng thông thường việc tách GPRS là từ MS.
- Chức năng bảo mật:
Có 3 chức năng bảo mật sau:
+ Chống lại việc sử dụng không hợp pháp dịch vụ GPRS
+ Bảo mật nhận dạng người sử dụng
+ Bảo mật dữ liệu người sử dụng (mã hóa)
- Chức năng quản lý vị trí:
Các chức năng quản lý vị trí:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 43
+ Cung cấp cơ chế chọn ô và PLMN
Đồ án tốt nghiệp
+ Cung cấp cơ chế để mạng nhận biết vùng định tuyến (RA) của MS trong trạng
thái chờ và sẵn sàng.
Các thủ tục quản lý sẽ kiểm soát sự thay đổi ô hay vùng định tuyến, đồng thời định kỳ cập nhật thông tin về vùng định tuyến của MS. Nếu một MS trong thời gian dài không thay đổi vị trí thì mạng phải nhận được thông báo MS vẫn nằm trong khả năng nhận biết của mạng. Do đó việc cập nhật vùng định tuyến phải được thực hiện theo chu kỳ nhất định. Khi MS vào ô mới và có thể vào vùng định tuyến mới thì MS phải thực hiện một trong ba thủ tục sau:
1/ Cập nhật ô
2/ Cập nhật vùng định tuyến
3/ Cập nhật kết hợp ô và vùng định tuyến
Có hai kiểu cập nhật vùng định tuyến:
+ Cập nhật trong một SGSN
+ Cập nhật giữa các SGSN
SGSN có thể quản lý vài vùng định tuyến. Nếu vùng định tuyến mới thuộc về sự quản lý của một SGSN khác thì kiểu cập nhật trong một SGSN được sử dụng, nếu vùng định tuyến mới vẫn thuộc sự quản lý của SGSN cũ thì kiểu cập nhật giữa các SGSN được sử dụng. Thông thường SGSN cũ sẽ chuyển các gói tin của người sử dụng tới SGSN mới cho tới khi nó nhận được thông báo xóa vị trí từ HLR thì thôi.
- Chức năng quản lý thuê bao:
Chức năng này thực hiện một cơ chế thông báo cho các nút của GPRS khi dữ liệu thuê bao GPRS của một người sử dụng thay đổi. Bất cứ khi nào dữ liệu thuê bao GPRS thay đổi trong HLR và sự thay đổi tác động đến dữ liệu được lưu trong SGSN thì SGSN sẽ thông báo sự thay đổi bằng một trong hai cách sau:
+ Thực hiện thủ tục chèn dữ liệu thuê bao: bổ sung hoặc sửa đổi dữ liệu thuê bao
trong SGSN
+ Thực hiện thủ tục xóa dữ liệu thuê bao: xóa dữ liệu thuê bao trong SGSN.
* Các chức năng quản lý kênh logic
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 44
Các chức năng quản lý kênh lôgic liên quan tới việc duy trì một kênh thông tin giữa một MS và PLMN qua giao diện vô tuyến. Các chức năng này thực hiện điều phối các thông tin trạng thái liên kết giữa MS và PLMN cũng như giám sát quá trình chuyển giao dữ liệu qua kênh logic.
Đồ án tốt nghiệp
- Chức năng thiết lập kênh logic:
Thiết lập kênh logic được thực hiện khi MS khai báo sử dụng dịch vụ GPRS
- Chức năng giám sát kênh logic:
Thực hiện việc giám sát tình trạng kênh logic và điều khiển khi thay đổi trạng
thái kênh.
- Chức năng giải phóng kênh logic:
Thực hiện ngắt kết nối logic, giải phóng các tài nguyên liên quan tới kết nối
logic.
* Các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến
Các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến liên quan đến việc ấn định và duy trì
các tuyến thông tin vô tuyến.
- Chức năng quản lý Um:
Chức năng này quản lý một số kênh vật lý được sử dụng trong mỗi ô và xác định số lượng các tài nguyên vô tuyến cung cấp để sử dụng các dịch vụ GPRS. Số lượng các tài nguyên vô tuyến dành cho GPRS có thể thay đổi từ ô này tới ô khác phụ thuộc nhu cầu người sử dụng hoặc được chỉ định bởi nhà vận hành mạng PLMN.
- Chức năng lựa chọn ô:
Chức năng này cho phép MS lựa chọn ô tối ưu để thiết lập một đường truyền tới mạng PLMN. Việc này liên quan đến việc kiểm t và xác định chất lượng tín hiệu từ các ô lân cận cũng như việc phát hiện và tránh tắc nghẽn trong các ô.
- Chức năng Um – Tranx:
Chức năng này cung cấp khả năng chuyển giao gói dữ liệu thông qua giao diện
vô tuyến giữa MS và BSS. Nó bao gồm các thủ tục:
+ Điều khiển truy nhập qua các kênh vô tuyến
+ Ghép các gói tin trên qua các kênh vô tuyến chung
+ Phân bổ gói trong MS
+ Phát hiện và sửa lỗi
+ Các thủ tục điều khiển lưu lượng to đổi
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 45
Các khối RLC
(yêu cầu nhập mạng)
Yêu cầu nhận
thực và mật mã
- Chức năng quản lý đường kết nối: chức năng này quản lý các đường truyền thông giữa BSS và các nút SGSN. Việc thiết lập và giải phóng các tuyến này có thể là động hoặc tĩnh.
Đồ án tốt nghiệp
* Chức năng quản lý mạng
Chức năng này cung cấp các cơ chế để hỗ trợ chức năng khai thác và bảo dưỡng liên quan tới GPRS như: quản lý lỗi, cấu hình, chỉ tiêu, bảo mật,…được thực hiện từ xa hoặc tại chỗ.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 46
Các khối RLC
(yêu cầu nhập mạng)
Yêu cầu nhận
thực và mật mã
2.7. Nhập mạng GPRS
Đồ án tốt nghiệp
MS
BSS
HLR/ AUC
Yêu cầu kênh gói
Ấn định đưòng lên gói
Các khối RLC (yêu cầu nhập mạng)
Công nhận đường lên gói
Yêu cầu nhập mạng
Công nhận điều khiển gói
Yêu cầu nhận
Gửi thông tin nhận thực Gửi thông tin nhận thực
Ấn định đường xuống gói
thực và mật mã
Các khối RLC (yêu cầu nhận thực và mật mã)
Công nhận đường xuống
Yêu cầu kênh gói
Ấn định đường lên gói
Các khối RLC (Trả lời nhận thực và mật mã) Công nhận đường lên gói
Trả lời nhận
Công nhận điều khiển gói
thực và mật mã
Hủy vị trí
Hủy bỏ vị trí RR
Các khối RLC (Nhập mạng được tiếp nhận)
Nhập mạng được tiếp nhận
Cập nhật vị trí GPRS Chèn số liệu thuê bao Chèn số liệu thuê bao RR Cập nhật vị trí GPRS
Công nhận đường xuống
Yêu cầu kênh gói
Ấn định đường lên gói
Các khối RLC (Nhập mạng hoàn thành) Công nhận đường lên gói Công nhận điều khiển gói
Nhập mạng hoàn thành
Mới SGSN Cũ SGSN
Hình 2.4 Nhập mạng GPRS
Khi bật nguồn MS hoặc khi tích cực trình duyệt, có thể tích cực chức năng GPRS trong MS. Mỗi khi khởi đầu chức năng GPRS trong MS, MS phải nhập mạng GPRS để mạng này biết rằng MS đã khả dụng đối với lưu lượng gói. Lúc này MS đã ở trạng thái sẵn sàng. Khi ở trạng thái sẵn sàng, MS có thể gửi hoặc nhận gói. Ngoài ra MS cũng có thể vào trạng thái chờ sau khi trạng thái sẵn sàng tạm ngưng.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 47
Hình 2.4 mô tả trường hợp MS loại 3 thực hiện nhập mạng GPRS:
Đồ án tốt nghiệp
Đầu tiên MS yêu cầu kênh gói (Packet Channel Request): MS đưa ra mục đích của yêu cầu là trả lời tìm gọi, thủ tục quản lý di động (MM). Mạng trả lời bằng ấn định đường lên gói (cấp phát một khe thời gian hoặc các khe thời gian) cho MS để truyền bản tin mà MS định gửi.
MS tiếp tục gửi yêu cầu nhập mạng ở một hay nhiều khối vô tuyến đến mạng trên các tài nguyên được cấp phát. MS có thể gửi số khối vô tuyến bằng số khối mà mạng cấp phát cho nó.
Khi nhận được yêu cầu nhập mạng tại BSS, BSS sử dụng PACCH để công nhận là đã nhận được yêu cầu này. Trường hợp MS đã gửi toàn bộ thông tin cần gửi, MS gửi bản tin công nhận điều khiển gói đến mạng và giải phóng các tài nguyên được cấp phát. Trong lúc đó BSS chuyển yêu cầu nhập mạng đến một SGSN. SGSN này có thể yêu cầu các thủ tục an ninh, trong đó nó nhận các bộ ba từ HLR.
BSS gửi bản tin ấn định đường xuống gói đến MS. Bản tin này có thể gửi trên kênh PCCCH hoặc PACCH. Bản tin ấn định đường xuống gói hướng dẫn MS sử dụng tài nguyên quy định ở đường xuống. Sau đó BSS gửi đi yêu cầu nhận thực và mật mã mà nó nhận được từ SGSN. Khi nhận được yêu cầu này, MS công nhận bản tin đường xuống và yêu cầu các tài nguyên đường lên để nó có thể trả lời. Vì thế nó gửi một yêu cầu kênh gói khác rất giống với yêu cầu kênh gói mà nó gửi lúc đầu. Một lần nữa mạng lai ấn định các tài nguyên cho MS. MS sử dụng các tài nguyên này để gửi trả lời về nhận thực và mật mã đến mạng. Trả lời này được BSS chuyển đến SGSN. BSS cũng gửi công nhận đến MS. MS khẳng định là đã nhận được công nhận giống như đã làm với yêu cầu nhập mạng ban đầu.
Sau khi MS đã được SGSN nhận thực, SGSN gửi cập nhật vị trí GPRS đến HLR. Quá trình này giống như cập nhật vị trí ở GSM bao gồm tải xuống từ HLR đến SGSN các thông tin về thuê bao, ghi lại vị trí của MS vào HLR. Khi HLR nhận được cập nhật vị trí GPRS, SGSN gửi bản tin cập nhật mạng được tiếp nhận tới MS. Đối với các bản tin khác, trước hết BSS ấn định tài nguyên để có thể trả lời bằng một bản tin “nhập mạng đã hoàn thành” đến MS. BSS công nhận việc đã nhận được số liệu chứa trong “nhập mạng đã hoàn thành” và chuyển bản tin này đến SGSN. MS khẳng định đã nhận được công nhận.
2.8. Khả năng phát triển của GPRS lên 3G
Có hai cách xây dựng một hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 nâng cấp từ
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 48
GPRS là:
Đồ án tốt nghiệp
- Nâng cấp tốc độ truyền của GPRS bằng cách phát triển GPRS lên EDGE và tiếp theo là thông tin di động thế hệ 3 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System - Hệ thống viễn thông di động toàn cầu).
- Phát triển trực tiếp từ GPRS lên UMTS.
Tuy nhiên tại một số quốc gia thì việc triển khai mạng UMTS gặp một số khó khăn về phổ tần vì ở các quốc gia đó thì phổ tần được đem bán đấu giá cũng như vấn đề cấp giấy phép cho 3G. Do đó các nhà khai thác mạng phải trả một khoản tiền lớn cho việc xin cấp phép hoạt động ở dải tần UMTS. Trong khi đó EDGE là một chuẩn đã được công nhận của 3G sử dụng băng tần GSM hiện có và hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới 384 kbit/s mà không cần thêm bất kỳ một giấy phép nào. Vì vậy EDGE có thể dễ dàng thích ứng với hệ thống GSM. Bản chất đó chỉ là sự nâng cấp phần mềm của hệ thống trạm vô tuyến GSM. Như vậy ở Việt Nam, việc chuyển từ GSM/GPRS sang EDGE, sau đó là UMTS là con đường đầu tư hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
3. Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM (EDGE)
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) là một công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS cho phép truyền dữ liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kbit/s cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm và 144 kbit/s cho người dùng di chuyển tốc độ cao. Trên đường tiến tới 3G, EDGE được biết đến như một công nghệ 2,5G. Mục tiêu chính của EDGE là tăng cường các khả năng cho qua số liệu của mạng GSM/GPRS tức là nén nhiều bit hơn trong một giây ở sóng mang có cùng độ rộng băng tần 200 KHz và 8 khe thời gian. Để thực hiện điều này người ta chuyển từ sơ đồ điều chế khóa chuyển pha Gauxơ cực tiểu ở GSM (GMSK) sang sơ đồ điều chế khóa chuyển pha 8 trạng thái (8-PSK). EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với các mạng GSM vì nó chỉ yêu cầu một phần mềm nâng cấp trạm gốc. Nó không thay thế hay nói đúng hơn nó cùng tồn tại với phương pháp điều chế GMSK nên các thuê bao có thể tiếp tục sử dụng máy di động cũ của mình nếu không cần được cung cấp các dịch vụ tốt hơn. Xét trên khía cạnh kỹ thuật cũng cần giữ lại GMSK vì 8PSK chỉ có hiệu quả ở vùng hẹp, với vùng rộng vẫn cần GMSK. Nếu EDGE được sử dụng cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng cấp EGPRS.
3.1 Kỹ thuật điều chế trong EDGE
Để tăng tốc độ truyền dữ liệu trong EDGE người ta sử dụng kỹ thuật điều chế
8PSK thay thế cho GMSK trong GSM.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 49
Dạng tín hiệu điều chế 8PSK:
Đồ án tốt nghiệp
(
(
p 2
) 1
p 2
) 1
)
(
)
(
=
)œ
( ts
E
.
cos
.
cos
sin
sin
S
tw o
tw o
i 8
2 T
i 8
2 T
ø Ø - - - Œ ß º
Trong đó:
wo: Tần số góc sóng mang
ES: Năng lượng tín hiệu
T: Chu kỳ tín hiệu
Chòm sao điều chế 8PSK:
Q
110 101
111 100 I
011 000
010 001
Sử dụng điều chế 8PSK có tốc độ bit gấp 3 lần tốc độ bit của điều chế GMSK. Do đó tốc độ truyền dữ liệu của EDGE cũng gấp 3 lần so với GSM. Tuy nhiên điều chế 8PSK trong EDGE thay đổi theo thời gian nên việc thiết kế các bộ khuếch đại rất phức tạp. Hiệu suất công suất của điều chế 8PSK chỉ bằng 4/7 của điều chế GMSK nên công suất của máy thu phát EDGE phải lớn gấp đôi so với GSM. Điều này ảnh hưởng đến việc chế tạo thiết bị đầu cuối và các trạm thu phát công suất nhỏ. Do phần lớn các dịch vụ tốc độ cao đều nằm ở đường xuống nên để hạn chế tính phức tạp cho máy đầu cuối, người ta đã đưa ra giải pháp đường lên sẽ phát tín hiệu sử dụng điều chế GMSK còn đường xuống sử dụng điều chế 8PSK.
3.2 Giao tiếp vô tuyến
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 50
Trong công nghệ EDGE ngoài việc thay thế kỹ thuật điều chế, các thông số vật lý khác của giao diện vô tuyến tương tự như trong GSM. Thủ tục vô tuyến của EDGE chính là các thủ tục được sử dụng trong GSM/GPRS. Điều này hạn chế tối thiểu việc xây dựng thêm các thủ tục mới cho EDGE. Tuy nhiên để hỗ trợ cho việc truyền dữ liệu
Đồ án tốt nghiệp
tốc độ cao, một vài thủ tục sẽ được thay đổi cho phù hợp. Có hai dạng truyền dữ liệu của EDGE :
- Truyền dẫn chuyển mạch gói EDGE – EGPRS:
Cung cấp tốc độ truyền dữ liệu từ 9,6 kbit/s đến 21,4 kbit/s cho một khe thời gian. EDGE sẽ cho phép truyền với tốc độ từ 11,2 kbit/s đến 59,2 kbit/s cho một khe thời gian. Như vậy nếu ghép nhiều khe thời gian sẽ cho tốc độ truyền tối đa là 384 kbit/s. Để đảm bảo tốc độ truyền cũng như bảo vệ thông tin, thủ tục kiểm soát kênh vô tuyến LLC trong EDGE sẽ có một số thay đổi xoay quanh việc cải tiến mẫu RLC về sự tương hợp đường kết nối và gia tăng tốc độ dự phòng. Sự tương hợp đường kết nối là việc lựa chọn mô hình điều chế và mã hóa để phù hợp với chất lượng đường vô tuyến. Sự gai tăng tốc độ dự phòng cũng là một biện pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ. EGPRS cung cấp mẫu tương hợp kết nối và gia tăng dự phòng để làm cơ sở cho việc đo lường chất lượng đường truyền nhằm đảm bảo việc khai thác dịch vụ truyền dẫn với độ trễ ngắn hơn và giảm yêu cầu bộ nhớ.
- Truyền dẫn chuyển mạch kênh EDGE – ECSD:
Chuẩn GSM hiện tại có thể cung cấp truy nhập vô tuyến truyền dẫn trong suốt và không trong suốt. Truyền trong suốt yêu cầu tốc độ bit cố định hàng dãy từ 9,6 kbit/s đến 64 kbit/s, còn truyền không trong suốt thay đổi từ 4,8 kbit/s đến 57,6 kbit/s. Tốc độ thực tế của truyền không trong suốt phụ thuộc vào chất lượng kênh và kết quả của việc truyền lại khi sai sót.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 51
EDGE không ảnh hưởng gì đến việc truyền này trong hệ thống chuyển mạch GSM nên tốc độ bit cũng không thay đổi. Tuy nhiên các thành phần trong mã hóa kênh sẽ có một số thay đổi để có tốc độ cao hơn. Trong tương lai khi EDGE sử dụng dịch vụ thời gian thực thông qua giao thức Internet thì sẽ có tác động mạnh không những trên truy nhập vô tuyến mà cả trên trường chuyển mạch truyền thống.
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG III
CÔNG NGHỆ W-CDMA
I. GIỚI THIỆU
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là phát triển của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ thứ 3. W-CDMA sử dụng công nghệ trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA băng rộng và mạng lõi được phát triển từ GSM và GPRS. Nó có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ lên đến 2 Mbit/s. W-CDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến là ghép song công phân chia theo thời gian TDD và ghép song công phân chia theo tần số FDD. Cả hai giao diện này đều sử dụng DS-CDMA.
FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau 190MHz:
- Đường lên: 1920 – 1980 MHz
- Đường xuống: 2110 – 2170 MHz
TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 – 1920 MHz và từ 2010 – 2025
MHz với đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần.
W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM và GPRS hiện có. Kiến trúc mạng lõi phát hành 3 GPP 1999 được xây dựng trên cơ sở kiến trúc mạng lõi của GSM/GPRS.
II. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA W-CDMA
- Hiệu suất sử dụng tần số cao:
Về nguyên tắc, dung lượng tiềm năng của hệ thống được xem như giống nhau ngay cả khi các công nghệ đa truy nhập như TDMA và FDMA được ứng dụng. Trong khi CDMA thường được coi là có hiệu suất sử dụng tần số cao nghĩa là CDMA rất dễ để nâng cao hiệu suất sử dụng tần số.Việc sử dụng các công nghệ cơ bản của hệ thống CDMA theo đúng cách sẽ đem lại hiệu suất sử dụng tần số cao cho hệ thống.
- Dễ quản lý tần số:
Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không cần có quy hoạch tần số. Ngược lại trong các hệ thống sử dụng TDMA và FDMA cần phải đặc biệt chú ý đến quy hoạch tần số.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 52
- Công suất phát của máy di động thấp:
Đồ án tốt nghiệp
Nhờ có quá trình tự điều chỉnh công suất phát (TPC) mà hệ thống W-CDMA có thể giảm được tỷ số Eb/No (tương đương tỷ số tín hiệu trên nhiễu) ở mức thấp chấp nhận được. Điều này không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và nhiễu. Việc giảm này đồng nghĩa với giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động. Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong một vùng rộng hơn với công suất thấp khi so với hệ thống TDMA hoặc hệ thống tương tự có cùng công suất. Ngoài ra việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và giảm số lượng BS yêu cầu khi so với các hệ thống khác.
Một ưu điểm lớn hơn xuất phát từ quá trình tự điều chỉnh công suất phát trong hệ thống W-CDMA là nó làm giảm công suất phát trung bình. Trong hệ thống W-CDMA, công suất phát trung bình có thể giảm vì công suất yêu cầu chỉ được phát đi bởi việc điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăng khi xảy ra pha đinh.
- Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên và đường
xuống:
Trong CDMA, rất dễ để cung cấp một cấu hình không đối xứng giữa đường lên và đường xuống. Ví dụ trong các hệ thống truy nhập khác như TDMA sẽ rất khó để phân chia các khe thời gian cho đường lên và đường xuống của một thuê bao độc lập với các thuê bao khác. Trong FDMA, rất khó để thiết lập cấu hình không đối xứng cho đường lên và đường xuống vì độ rộng băng tần sóng mang của đường lên và đường xuống sẽ phải thay đổi. Ngược lại, trong CDMA hệ số trải phổ (SF) có thể được thiết lập độc lập giữa đường lên và đường xuống đối với mỗi thuê bao và nhờ đó có thể thiết lập các tốc độ khác nhau ở đường lên và đường xuống. Điều này cho phép sử dụng hiệu quả các tài nguyên vô tuyến ngay cả trong các loại hình thông tin không đối xứng như truy cập Internet. Khi không phát số liệu thì tài nguyên vô tuyến không bị chiếm dụng. Do đó nếu một thuê bao chỉ thực hiện truyền tin ở trên đường lên và một thuê bao khác chỉ thực hiện truyền tin ở đường xuống thì các tài nguyên vô tuyến được sử dụng tương đương tài nguyên cho một cặp đường truyền lên và xuống.
III. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA W-CDMA
- Phương thức truy nhập: CDMA trải phổ trực tiếp
- Phương thức truyền hai chiều (song công): Song công phân chia theo tần số
FDD và song công phân chia theo thời gian TDD
- Độ rộng băng thông: 5 MHz
- Tốc độ chip: 3,84 Mchip/s
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 53
- Khoảng cách sóng mang: 200 KHz
Đồ án tốt nghiệp
- Tốc độ số liệu: ~ 2 Mbit/s
- Độ dài khung số liệu: 10, 20, 40, 80 ms
- Mã hiệu chỉnh lỗi: Mã vòng, mã xoắn, mã Turbo
- Phương thức điều chế số liệu:
+ Đường xuống: Điều chế pha 4 trạng thái QPSK
+ Đường lên: Điều chế pha hai trạng thái BPSK
- Phương thức điều chế trải phổ:
+ Đường xuống: QPSK
+ Đường lên: Điều chế pha hỗn hợp HPSK
- Hệ số trải phổ (SF): 4 ~ 512
- Phương thức đồng bộ giữa các trạm gốc: Dị bộ (cũng có thể sử dụng chế độ
đồng bộ)
- Phương thức mã hóa thoại: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng AMR (1,95 kbit/s –
12,2 kbit/s).
IV. CẤU TRÚC MẠNG W-CDMA
Về mặt chức năng, các phần tử mạng được nhóm thành hai phần:
- Mạng lõi CN (Core Network) thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến
cuộc gọi và kết nối số liệu.
U
I
u
u
Nút B
USIM
RNC
GMSC
PLMN, PSTN,ISDN…
USIM MSC/ VLR
Nút B
C
I
u
ur
I
ub
HLR
Nút B
ME
RNC
SGSN
GGSN
- Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN thực hiện chức năng liên quan đến vô tuyến.
UE
Nút B
UTRAN
CN
Các mạng ngoài
Internet
Hình 3.1 Cấu trúc của UMTS
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 54
USIM (UMTS Subscriber Identity Module): Modul nhận dạng thuê bao UMTS
Đồ án tốt nghiệp
MS (Mobile Station): Trạm di động
RNC (Radio Network Controller): Bộ điều khiển mạng vô tuyến
MSC (Mobile Service Switching Center): Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di
động
VLR (Visitor Location Register): Bộ ghi định vị tạm trú
SGSN (Serving GPRS Support Node): Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS
GGSN (Gateway GPRS Support Node): Nút hỗ trợ GPRS cổng
HLR (Home Location Register): Bộ ghi định vị thường trú
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyến
mặt đất UMTS.
CN (Core Network): Mạng lõi
PLMN (Public Land Mobile Network): Mạng di động công cộng mặt đất
PSTN (Public Switch Telephone Network): Mạng điện thoại chuyển mạch công
cộng.
ISDN (Integrated Service Digital Network): Mạng số liên kết đa dịch vụ
ME (Mobile Equipment): Thiết bị di động
* UE (User Equipment): Thiết bị người sử dụng
Thiết bị người sử dụng UE thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ
thống. UE gồm hai phần :
- Thiết bị di động ME ( Mobile Equipment ) : Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng
cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
* UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô
tuyến
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 55
Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến. UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem). Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các nút B.
Đồ án tốt nghiệp
U
I
u
u
Nút B
- CS
I u
USIM
RNC
MSC/ VLR
Nút B
C
u
I ur
I
ub
Nút B
ME
RNC
SGSN
I
- PS u
UE
UTRAN
Nút B
Hình 3.2 Cấu trúc UTRAN
- Chức năng của UTRAN:
+ Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các
thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.
+ Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng của mạng lõi.
+ Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
+ Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
- Các thành phần của UTRAN:
+ Nút B: Là nút logic có chức năng thu và phát vô tuyến, nó còn được gọi là trạm thu phát gốc BTS. Giao diện giữa nút B và RNC được gọi là Iub. Nút B thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu. Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến. Nút B phủ sóng cho một hoặc nhiều ô, nó được kết nối với thiết bị người sử dụng UE qua giao diện vô tuyến.
+ Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller): Có chức năng quản lý các tài nguyên vô tuyến và điều khiển nút B như điều khiển chuyển giao. Giao diện giữa các RNC được gọi là Iur . Đây là một giao diện logic để có thể thực hiện đấu nối vật lý giữa các RNC. RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
* CN (Core Network):Mạng lõi
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 56
- HLR (Home Location Register) : Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này bao gồm : thông tin về
Đồ án tốt nghiệp
các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) : Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.
- GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
- SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng
cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS – Packet Switch).
- GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng chỉ
phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
* Các mạng ngoài
- Mạng CS (Circuit Switch): Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh
giống như các dịch vụ điện thoại. ISDN và PSTN là các ví dụ về mạng CS.
- Mạng PS (Packet Switch): Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
Internet là một ví dụ về mạng PS
* Các giao diện vô tuyến
- Giao diện Cu:
Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một
khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.
- Giao diện Uu:
Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế
mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.
- Giao diện Iu:
Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng
trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau. Iu có hai kiểu:
+ Iu – CS để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh
+ Iu – PS để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch gói
- Giao diện Iur:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 57
FACH
Kênh truy nhập đường xuống
Là giao diện vô tuyến giữa các bộ điều khiển mạng vô tuyến, nó cho phép
Đồ án tốt nghiệp
chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau. Giao diện Iur phải đảm bảo 4 chức năng sau:
+ Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC
+ Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng
+ Hỗ trợ kênh lưu lượng chung
+ Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu
- Giao diện Iub:
Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC. Iub được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn. Giao diện Iub định nghĩa cấu trúc khung và các thủ tục điều khiển trong băng cho từng kiểu kênh truyền tải. Các chức năng chính của Iub:
+ Thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến đầu tiên của
một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng.
+ Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, nút B, kết nối vô tuyến
+ Xử lý kết hợp chuyển giao
+Quản lý sự cố kết nối vô tuyến
V. CÁC DỊCH VỤ TRONG MẠNG W-CDMA
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới như : điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác.
VI. GIAO DIỆN VÔ TUYẾN
Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức:
- Lớp vật lý (Lớp 1): Là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến, được sử dụng để
truyền dẫn ở giao diện vô tuyến.
- Lớp liên kết dữ liệu (Lớp 2): được chia thành các lớp con sau:
+ Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control): Điều
khiển truy nhập môi trường
+ Lớp điều khiển liên kết vô tuyến RLC (Radio Link Control): Có chức năng
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 58
FACH
Kênh truy nhập đường xuống
điều khiển phát lại và một số chức năng khác.
Đồ án tốt nghiệp
Mặt phẳng giao diện điều khiển có chức năng truyền các tín hiệu điều khiển, mặt phẳng giao diện thuê bao có chức năng truyền các tin tức của thuê bao. Giao thức hội tụ số liệu gói (PDCP) và điều khiển đa địa chỉ/quảng bá (BMC) của lớp 2 có thể sử dụng cho mặt phẳng giao diện thuê bao.
- Lớp mạng (Lớp 3): Bao gồm lớp con điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) kết
thúc tại UTRAN và các lớp cao hơn kết thúc tại CN.
Để xử lý linh hoạt các dạng dịch vụ khác nhau và các khả năng gọi hội nghị, giao diện vô tuyến được cấu trúc dựa trên ba lớp kênh cơ bản: các kênh vật lý, các kênh truyền tải và các kênh logic. Các kênh logic được phân loại theo chức năng của các tín hiệu truyền dẫn và các đặc tính logic của chúng, và được gọi tên theo nội dung thông tin mà nó truyền. Các kênh truyền tải được phân loại theo khuôn dạng truyền, được định rõ đặc tính theo cách truyền và loại thông tin được truyền qua giao diện vô tuyến. Các kênh vật lý được phân loại theo các chức năng của lớp vật lý , được nhận biết bởi mã trải phổ, sóng mang và dạng pha điều chế của đường lên.
BCCH Kênh điều khiển quảng bá
BCH Kênh thông tin quảng bá
FACH Kênh truy nhập đường xuống
PCCPCH Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp
SCCPCH Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp
PCCH Kênh điều khiển tìm gọi
PCH Kênh tìm gọi
RACH Kênh truy nhập ngẫu nhiên
PRACH Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý
CCCH Kênh điều khiển chung
DCH Kênh riêng
DCCH Kênh điều khiển riêng
DPCH Kênh vật lý riêng
DSCH Kênh chung đường xuống
DTCH Kênh lưu lượng riêng
PDSCH Kênh vật lý chung đường xuống
Việc ghép và phát các kênh truyền tải trên các kênh vật lý tạo các khả năng: ghép tín hiệu điều khiển với tín hiệu số liệu của các thuê bao, ghép và phát tín hiệu số liệu của các thuê bao kết hợp với đa truy nhập. Việc liên kết các kênh logic với một kênh truyền tải đơn cũng đem lại khả năng truyền dẫn hiệu quả hơn. Việc xếp kênh truyền tải với kênh vật lý được tiến hành trong lớp vật lý, việc xếp kênh logic với kênh truyền tải được tiến hành trong lớp con MAC.
Các kênh vật lý Các kênh logic Các kênh truyền tải
Hình 3.3 Sắp xếp giữa các kênh vật lý chính ,các kênh truyền tải và các kênh logic
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 59
1. Các kênh logic
Đồ án tốt nghiệp
Các kênh logic có thể được chia thành hai nhóm chủ yếu là: nhóm kênh điều
khiển và nhóm kênh lưu lượng
- Nhóm kênh điều khiển bao gồm:
+ Kênh điều khiển quảng bá BCCH
+ Kênh điều khiển nhắn tin PCCH
+ Kênh điều khiển dành riêng DCCH
+ Kênh điều khiển chung CCH
+ Kênh điều khiển phân chia kênh SHCCH
+ Kênh điều khiển riêng cho ODMA – OCCH
+ Kênh điều khiển chung cho ODMA – OCCH
- Nhóm kênh lưu lượng bao gồm:
+ Kênh lưu lượng dành riêng DTCH
+ Kênh lưu lượng chung CTCH
2. Các kênh truyền tải
Các kênh truyền tải có nhiệm vụ truyền thông tin giữa phân lớp MAC và lớp vật lý. Các kênh truyền tải được phân loại chung thành hai nhóm: các kênh riêng và các kênh chung.
- Các kênh truyền tải dành riêng DCH:
Là một kênh thực hiện việc truyền thông tin điều khiển và thông tin thuê bao giữa UTRAN và UE. DCH được truyền trên toàn bộ ô hoặc chỉ truyền trên một phần ô đang sử dụng. Thông thường chỉ có một kênh truyền dẫn dành riêng sử dụng cho đường lên hoặc đường xuống ở chế độ TDD hoặc FDD.
- Các kênh truyền tải chung:
Mặc dù chức năng chủ yếu của từng kênh truyền tải chung có thể không nhất thiết phải là giống nhau ở hai chế độ FDD và TDD nhưng chúng có cùng một vài chức năng và dấu hiệu cơ bản. Cả FDD và TDD đều có một số kênh truyền tải khác nhau, tuy nhiên FDD không có kênh dùng chung đường lên và TDD không có kênh gói chung.
+ Kênh quảng bá BCH: Kênh truyền tải đường xuống, dùng cho hệ thống quảng
bá và thông tin cụ thể về ô. BCH thường được truyền trên toàn bộ ô.
+ Kênh truy nhập đường xuống FACH: Kênh truyền tải đường xuống, truyền
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 60
thông tin điều khiển tới trạm di đông khi hệ thống biết được định vị ô của trạm di động.
Đồ án tốt nghiệp
+ Kênh tìm gọi PCH: Kênh truyền tải đường xuống, thường được truyền trên toàn bộ ô, dùng để truyền thông tin điều khiển tới trạm di động khi hệ thống không biết vị trí ô của trạm đi động.
+ Kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH: Kênh truyền tải đường lên, thường thu
được từ toàn bộ ô, thực hiện truyền thông tin điều khiển từ trạm di động.
+ Kênh gói chung CPCH:
Với FDD: là kênh truyền tải đường lên kết hợp với một kênh riêng đường xuống tạo các lệnh điều khiển CPCH. Nó được đặc trưng bởi nguy cơ xung đột ban đầu và việc sử dụng điều khiển công suất vòng trong cho việc truyền dẫn.
Với TDD: kênh truyền tải đường lên được dùng chung bởi một vài UE thực hiện
truyền số liệu điều khiển dành riêng hoặc lưu lượng.
+ Kênh dùng chung đường xuống DSCH: là kênh truyền tải đường xuống được dùng chung bởi một vài UE, thực hiện truyền số liệu điều khiển dành riêng hoặc lưu lượng.
3. Các kênh vật lý
Các kênh vật lý được phân loại dựa trên hai đặc trưng: kênh đường lên và đường
xuống, kênh dành riêng và kênh chung.
3.1. Các kênh vật lý đường lên
- Các kênh vật lý dành riêng đường lên:
Có hai kiểu:
+ Kênh số liệu vật lý dành riêng DPDCH
+ Kênh điều khiển vật lý dành riêng DPCCH
Các kênh vật lý dành riêng đường lên có mã I/Q ghép kênh cho từng khung vô tuyến. DPDCH truyền kênh truyền dẫn DCH, còn DPCCH truyền thông tin điều khiển như: các bit hoa tiêu để hỗ trợ đánh giá việc xác định kênh trong quá trình phát hiện tương quan, các lệnh điều khiển công suất phát TPC, thông tin phản hồi FBI và một bộ chỉ thị kết hợp định dạng truyền dẫn TFCI. TFCI thông báo cho phía thu việc kết hợp định dạng truyền dẫn tức thời của các kênh truyền dẫn để truyền một cách đồng thời. Có một và chỉ một kênh DPCCH đường lên trên một liên kết vô tuyến. Tuy nhiên có thể không có, có một hoặc vài kênh DPDCH đường lên trên mỗi liên kết vô tuyến.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 61
Có hai kiểu kênh vật lý dành riêng đường lên, vì thế một kênh có chứa trường TFCI và một kênh không chứa TFCI.. Ở chế độ nén, các khe DPCCH được định dạng với các trường TFCI bị thay đổi. Có hai dạng khe nén có thể có cho mỗi dạng khe danh
Đồ án tốt nghiệp
định. Chúng được đánh nhãn là A và B và việc lựa chọn chúng tùy thuộc vào số khe được truyền trên từng khung ở chế độ nén. Khi chỉ có một kênh DPCCH trên một liên kết vô tuyến thì có một vài kênh DPDCH song song sử dụng các mã kênh khác nhau có thể được truyền theo phương thức đa mã trên các kênh vật lý dành riêng đường lên.
- Các kênh vật lý chung đường lên: được chia thành hai loại:
+ Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PCH: mang thông tin của kênh giao vận
RACH.
+ Kênh gói chung vật lý PCPCH: mang thông tin của kênh giao vận CPCH.
3.2. Các kênh vật lý đường xuống
Các kênh vật lý đường xuống bao gồm một kênh vật lý dành riêng, một kênh
phân chia và 5 kênh điều khiển chung.
Các kênh điều khiển chung:
- Kênh vật lý dành riêng đường xuống DPCH: phát số liệu dành riêng được tạo
từ lớp 2 và lớp cao hơn.
- Các kênh hoa tiêu chung CPICH: là một kênh vật lý đường xuống tốc độ cố định 30 kbit/s, thực hiện truyền chuỗi bit / ký tự xác định trước. Trong phân tập phát, trên bất kỳ kênh đường xuống nào không có điều khiển công suất vòng kín hoặc hở, CPICH có thể được phát từ hai anten sử dụng cùng mã kênh và mã ngẫu nhiên.
- Kênh phân chia vật lý đường xuống DSCH
- Kênh vật lý điều khiển chung chính và dự phòng CCPCH:
+ CCPCH sơ cấp: là một kênh vật lý đường xuống với tốc độ cố định 30 kbit/s truyền hình quảng bá BCH. Nó khác với DPCH đường xuống ở chỗ nó không truyền các lệnh TCP hoặc các bit hoa tiêu
+ CCPCH thứ cấp: có hai kiểu: một có TFCI và một không có TFCI truyền FACH và PCH. Do UTN xác định khi nào TFCI có thể được truyền nếu nó được ủy nhiệm bởi tất cả các UE hỗ trợ sử dụng TFCI. Tốc độ CCPCH thứ cấp có thể giống với DPCH đường xuống.
- Kênh đồng bộ SCH: là một tín hiệu đường xuống sử dụng trong quá trình dò
tìm khe, nó bao gồm 2 kênh con: SCH sơ cấp và SCH thứ cấp.
VII. CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRONG W-CDMA
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 62
1. Thiết bị thu phát vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba
Đồ án tốt nghiệp
Các bit hoa tiêu
Kênh truyền tải B
Kênh truyền tải A
Số liệu phát
Cộng CRC
Phân đoạn khối mã
Mã hóa kênh
Phối hợp tốc độ
Đan xen
Ghép
TCP
D/A
Điều chế QPSK
Trải phổ
Điều chế vuông góc
Biến đổi nâng tần
Bộ khuếch đại
Bộ lọc Nyquist cosin tăng căn hai
Đo SIR
Bộ tạo lệnh TCP
a/ Máy phát
A/D
Khuếch đại AGC
Bộ kết hợp RAKE nhất quán
Ngân hàng giải điều chế
Khuếch đại tạp âm thấp
Biến đổi hạ tần
Bộ lọc Nyquist cosin tăng căn hai
Bộ tìm đường truyền
Giải đan xen
Giải mã kê
Ghép khối mã
Số liệu được khôi phục
Kênh truyền tải A
Phát hiện lỗi khối
Kênh truyền tải B
b/ Máy thu
Hình 3.4 Sơ đồ khối máy phát và máy thu vô tuyến
* Máy phát:
Lớp vật lý bổ sung mã CRC cho từng khối truyền tải để phát hiện lỗi ở phía thu. Sau đó số liệu được mã hóa kênh và đan xen. Số liệu đan xen được bổ sung thêm các bit điều khiển công suất TPC (Transmit Power Control), được sắp xếp lên các nhánh I và Q của QPSK và được trải phổ hai lớp (trải phổ và ngẫu nhiên hóa). Chuỗi chip sau ngẫu nhiên hóa được giới hạn trong băng tần 5 MHz bằng bộ lọc Nyquist cosin tăng căn hai (hệ số dốc bằng 0,22) và được biến đổi thành tương tự bằng bộ biến đổi D/A để đưa lên điều chế vuông góc cho sóng mang. Tín hiệu trung tần IF sau điều chế được biến đổi nâng tần vào sóng vô tuyến RF trong băng tần 2 GHz, sau đó được đưa lên khuếch đại trước khi chuyển đến anten để phát vào không gian.
* Máy thu:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 63
Tại phía thu, tín hiệu thu được khuếch đại bằng bộ khuếch đại tạp âm thấp, sau đó được đưa vào tầng trung tần IF thu rồi được khuếch đại tuyến tính bởi bộ khuếch đại AGC. Sau khuếch đại AGC, tín hiệu được giải điều chế để được các thành phần I và Q.
Đồ án tốt nghiệp
Các tín hiệu tương tự của các thành phần này được biến đổi thành tín hiệu số tại bộ biến đổi A/D, sau đó tín hiệu qua bộ lọc Nyquist cosin tăng căn hai và được phân chia theo thời gian vào một số thành phần đường truyền có các thời gian trễ truyền sóng khác nhau. Sau giải trải phổ cho các thành phần này, chúng được kết hợp lại bởi bộ kết hợp máy thu KE. Tín hiệu tổng hợp được giải đan xen, giải mã kênh, được phân thành các khối truyền tải và được phát hiện lỗi. Cuối cùng chúng được đưa đến lớp cao hơn.
2. Mã hóa và đan xen
2.1. Mã vòng
Mã khối là bộ mã hóa chia dòng thông tin thành những khối tin (message) có k bit. Mỗi tin được biểu diễn bằng một khối k thành phần nhị phân u = (u1,u2,..,uk), u được gọi là vecto thông tin. Có tổng cộng 2k vecto thông tin khác nhau. Bộ mã hóa sẽ chuyển vecto thông tin u thành một bộ n thành phần v = (v1,v2,...,vn) được gọi là từ mã. Như vậy ứng với 2k vecto thông tin sẽ có 2k từ mã khác nhau. Tập hợp 2k từ mã có chiều dài n được gọi là một mã khối (n,k). Tỉ số R = k/n được gọi là tỉ số mã, R chính là số bit thông tin đưa vào bộ giải mã trên số bit được truyền. Do n bit chỉ phụ thuộc vào k bit thông tin vào, bộ giải mã không cần nhớ và có thể được thực hiện bằng mạch logic tổ hợp. Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính.
Mã vòng là phương pháp mã hóa cho phép kiểm t độ dư vòng (CRC – Cyclic Redundance Check) và chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin đã phát. Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính.
Mã hóa mã vòng (n,k) dạng hệ thống gồm ba bước :
Bước 1: Nhân đa thức thông tin u(x) với xn-k.
Bước 2: Chia xn-k.u(x) cho đa thức sinh g(x), ta được phần dư b(x).
Bước 3: Kết hợp phần dư với tích trên ta được đa thức từ mã c(x) = b(x) + xn-k
Tất cả ba bước này được thực hiện bằng mạch chia với thanh ghi dịch (n-k) tầng
có hàm hồi tiếp tương ứng với đa thức sinh g(x).
Trong hệ thống W-CDMA, các đa thức sinh có thể được sử dụng là:
gCRC24(x) = x24 + x23 + x6 + x5 + x + 1
gCRC16(x) = x16 + x12 + x5 + 1
gCRC12(x) = x12 + x11 + x3 + x2 + x +1
gCRC8(x) = x8 + x7 + x4 + x3 + x + 1
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 64
2.2. Mã xoắn
Đồ án tốt nghiệp
Mã xoắn (Convolutional Code) (n,k,m) cũng có n đầu , k đầu vào như mã khối (n,k) nhưng n đầu của mã xoắn phụ thuộc không chỉ vào k đầu vào tại thời gian đó mà còn phụ thuộc vào m khối bản tin trước đó. Mã xoắn được xác định bằng các thông số sau:
- Tỷ lệ mã: r = k/n
- Độ dài hữu hạn k
Mã xoắn (n,k,m) được xây dựng bởi mạch dãy. Mạch này dùng thanh ghi dịch m bit làm bộ nhớ, các đầu của các phần tử nhớ được cộng với nhau theo quy luật nhất định để tạo nên chuỗi mã, sau đó các chuỗi này được ghép xen với nhau để tạo nên chuỗi mã đầu .
Đường truyền xuống (trạm gốc tới máy di động) trong W-CDMA sử dụng mã
xoắn tỷ lệ 1/2 (một bit đầu vào cho hai bit đầu ) và độ dài giới hạn k = 9.
Hình 3.5 Mã hóa xoắn sử dụng ở đường truyền xuống
trong hệ thống W-CDMA
Ban đầu tất cả các thanh ghi có giá trị là 0. Khi các bit bản tin mi được đưa vào từ bên trái, các bit được rẽ nhánh ở các tầng khác nhau và được cộng lại ở bộ cộng modul hai. Giá trị của tổng là giá trị đầu của bộ mã hóa xoắn. Vì đây là bộ mã hóa xoắn tỷ lệ 1/2 nên hai bit được tạo đối với mỗi chu kỳ xung nhịp. Một chuyển mạch đảo trạng thái sẽ thay đổi trạng thái trên cả hai điểm đầu đối với mỗi chu kỳ xung nhịp đầu vào, do đó tốc độ đầu gấp hai lần tốc độ đầu vào. Đa thức sinh cho hai bit đầu :
g’(x) = x8 + x7 + x5 + x3 + x2 + x +1
g”(x) = x8 + x4 + x3 + x2 + 1
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 65
Hệ thống W-CDMA sử dụng một hệ thống mã hóa xoắn khác trên đường truyền lên (máy di động tới trạm gốc). Vì máy di động có một công suất phát hạn chế nên đôi khi đường truyền lên có thể là đường truyền bị giới hạn. Do vậy một mã xoắn hiệu suất
Đồ án tốt nghiệp
cao hơn có tỷ lệ 1/3 và độ dài giới hạn k = 9 được sử dụng. Trong trường hợp này, ba bit được tạo đối với mỗi bit đầu vào và tốc độ đầu gấp ba lần tốc độ đầu vào.
Hình 3.6 Mã hóa xoắn sử dụng ở đường truyền lên trong hệ thống W-CDMA
Đa thức sinh cho ba bit đầu :
g’(x) = x8 + x7 + x6 + x5 + x3 + x2 + 1
g”(x) = x8 + x7 + x4 + x3 + x + 1
g”’(x) = x8 + x5 + x2 + x + 1
2.3. Mã Turbo
Mã hóa Turbo chỉ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba khi hoạt động ở tốc độ bit cao với yêu cầu tỉ số lỗi bit BER nằm trong khoảng 10-3 đến 10-6. Bộ mã hóa turbo thực chất là bộ mã xoắn móc nối song song PCCC (Pallel Concatenated Convolutional Code) với các bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái được sử dụng, nó gồm hai bộ mã hão xoắn theo phương pháp đệ quy RSC1, RSC2 và một bộ đan xen Turbo bên trong bộ mã hóa Turbo.
2.4. Đan xen trong W-CDMA
Đan xen được thực hiện trên nguyên tắc là luồng kí hiệu phát được viết vào một ma trận nhớ gồm các hàng và các cột theo trình tự phát. Sau đó được đọc từ ma trận này theo các địa chỉ được xác định bởi một quy định nào đó để đảm bảo việc hoán vị vị trí các ký tự.
3. Điều chế BPSK và QPSK
3.1. Điều chế BPSK
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 66
Trong một hệ thống điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) cặp tín hiệu s1(t)
Đồ án tốt nghiệp
b
)
(
=
+
q
[
]q
+
.
cos
p .2
f
t
)( ts i
c
2 E T b
và s2(t) được sử dụng để biểu diễn các giá trị nhị phân. Ta có:
Trong đó :
Tb : Độ rộng băng thông.
Eb : Năng lượng của một bit.
θ(t) : Góc pha thay đổi theo tín hiệu điều chế, θ là góc pha ban đầu.
θ(t) = (i - 1)π, 0 ≤ t ≤ Tb, i = 1,2
Một cặp sóng sin đối pha 1800 như trên gọi là một cặp tín hiệu đối cực.
NRZ
Luồng số cơ hai = 1/T R b b (t) S i
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK
2
E
b
cos
p .2
f
c
T b
Luồng số tốc độ bit Rb được đưa qua bộ chuyển đổi về tín hiệu NRZ (0fi 1, 1fi
-1), sau đó nhân với sóng mang để được tín hiệu điều chế BPSK.
(
=
.
cos
p2
)tf
)(1 tu
c
2 T b
Chọn một tín hiệu là cơ sở là trực chuẩn:
)( =
)tutdE ( ) (
.
tS i
1
b
Ta có :
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 67
Khoảng cách giữa hai tín hiệu :
Đồ án tốt nghiệp
0
bE
bE
Hình 3.8 Khoảng cách giữa hai tín hiệu BPSK -
Xác suất lỗi trong BPSK:
b
=
erfc
P e
1 2
E 2 N
0
(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł
Với :
Eb: Năng lượng của bit .
N0: Mật độ xác suất nhiễu trắng.
3.2. Điều chế QPSK
Tín hiệu điều chế QPSK có dạng:
p
(
+
+
q
cos
p .2
2 i
0,
Tt
) 1
tf c
=
S
)( t
4
QPSK
2 E T < t
,0
;0
> Tt
(cid:236) (cid:246) (cid:230) £ £ - (cid:247) (cid:231) (cid:239) (cid:237) ł Ł (cid:239) (cid:238)
Trong đó
Eb : Năng lượng một bit.
Ti : Thời gian một bit.
E = 2Eb : Năng lượng tín hiệu phát đi trên một ký hiệu.
T = 2Tb : Thời gian của một ký hiệu.
fc : Tần số sóng mang
θ : góc pha ban đầu.
i = 1, 2, 3, 4.
Biến đổi lượng giác ta có phương trình dạng tương đương như sau :
p
(
(
)
cos
2 i
) .1
p .2
cos
0,
Tt
tf c
)
(
=
S
t
4
QPSK
2 E T < ;0
,0
t
> Tt
(cid:236) ø Ø £ £ - - (cid:239) œ Œ (cid:237) ß º (cid:239) (cid:238)
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 68
Nếu ta chọn Q1 và Q2 là các hàm năng lượng cơ sở trực giao chuẩn :
Đồ án tốt nghiệp
)
-=
(
)
sin
p .2
0,
Tt
( tQ 1
tf c
2 T
)
(
)
=
£ £
p .2
cos
0,
Tt
( tQ 2
tf c
2 T
£ £
Ta có thể biểu diễn tín hiệu điều chế QPSK bằng bốn điểm trong không gian tín
hiệu với các toạ độ xác định như sau :
p
(
=
E
sin
i 2
) .1
Q 1
=
=
,
i
.4,3,2,1
S QPSK
4 p
=
(
Q
E
cos
i 2
) .1
2
4
(cid:252) (cid:236) ø Ø - (cid:239) (cid:239) œ Œ (cid:239) (cid:239) ß º (cid:253) (cid:237) ø Ø (cid:239) (cid:239) - œ Œ (cid:239) (cid:239) ß º (cid:254) (cid:238)
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK
trong không gian tín hiệu thể hiện ở bảng sau :
Cặp bit vào Điểm tín hiệu Tọa độ các điểm tín hiệu
Pha của tín hiệu QPSK Si 0 £ t £ T Q1 Q2
2/E
2/E
p 00 S1 /4 + +
2/E
2/E
01 S2 /4 3p + -
2/E
2/E
11 S3 /4 5p - -
2/E
2/E
10 S4 /4 7p - +
Xác suất lỗi trong QPSK:
b
=
Q
P e
,
QPSK
E 2 N
0
(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł
Ta thấy xác suất lỗi của BPSK và QPSK là như nhau. Tuy nhiên, với QPSK thì
hiệu suất băng thông gấp 2 lần BPSK. Băng thông của QPSK xấp xỉ bằng Rb.
4. Điều khiển công suất và chuyển giao
4.1. Điều khiển công suất
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 69
Trong W-CDMA, điều khiển công suất được thực hiện cho cả đường lên lẫn đường xuống. Điều khiển công suất đường xuống nhằm tối thiểu nhiễu đến các ô khác và bù nhiễu do các ô khác gây , cũng như nhằm đạt mức SNR yêu cầu. Tuy nhiên điều khiển công suất cho đường xuống không thực sự cần thiết như điều khiển công suất cho đường lên. Hệ thống W-CDMA sử dụng công suất đường xuống nhằm cải thiện tính năng hệ thống bằng cách kiểm soát nhiễu từ các ô khác.
Đồ án tốt nghiệp
Điều khiển công suất đường lên tác động lên các kênh truy nhập và lưu lượng. Nó được sử dụng để thiết lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi và phản ứng lên các thăng giáng tổn hao đường truyền lớn. Mục đích chính của điều khiển công suất đường lên là nhằm khắc phục hiệu ứng “xa - gần” bằng cách duy trì mức công suất truyền dẫn của các máy di động trong ô như nhau tại máy thu trạm gốc với cùng một QoS. Do vậy việc điều khiển công suất đường lên là thực hiện tinh chỉnh công suất truyền dẫn của máy di động. Hệ thống W-CDMA sử dụng hai phương pháp điều khiển công suất:
- Điều khiển công suất vòng hở OLPC
- Điều khiển công suất vòng kín CLPC
a. Điều khiển công suất vòng hở OLPC
Ước tính cường độ hoa tiêu
OLPC sử dụng chủ yếu để điều khiển công suất cho đường lên. Trong quá trình điều khiển công suất, UE xác định cường độ tín hiệu truyền dẫn bằng cách đo mức công suất thu của tín hiệu hoa tiêu từ BS ở đường xuống. Sau đó UE điều chỉnh mức công suất truyền dẫn theo hướng tỷ lệ nghịch với mức công suất tín hiệu hoa tiêu thu được. Do vậy, nếu mức công suất tín hiệu hoa tiêu càng lớn thì mức công suất phát của UE (P_trx) càng nhỏ.
BS UE
P_trx = 1/cường độ hoa tiêu Hình 3.9 OPLC đường lên
Việc điều khiển công suất vòng hở là cần thiết để xác định mức công suất phát ban đầu (khi khởi tạo kết nối). Ở phương pháp này trạm gốc không tham gia vào các thủ tục điều khiển công suất.
Lệnh TPC
UE
BS
Quyết định điều khiển công suất
Điều chỉnh P_trx của UE theo lệnh TPC
UE
Lệnh TPC
Điều chỉnh P_trx của UE theo lệnh TPC
b. Điều khiển công suất vòng kín CLPC
Hình 3.10 Cơ chế điều khiển công suất CLPC
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 70
TPC (Transmit Power Control): Điều khiển công suất truyền dẫn.
Đồ án tốt nghiệp
CLPC được sử dụng để điều khiển công suất khi kết nối đã được thiết lập. Mục
đích chính là để bù những ảnh hưởng của sự biến đổi nhanh của mức tín hiệu vô tuyến.
Do đó chu kỳ điều khiển phải đủ nhanh để phản ứng lại sự thay đổi nhanh của mức tín
hiệu vô tuyến.
Trong CLPC, BS điều khiển UE tăng hoặc giảm công suất phát. Quyết định tăng
hay giảm công suất phụ thuộc vào mức tín hiệu thu SNR tại BS. Khi BS thu tín hiệu từ
UE, nó so sánh mức tín hiệu thu với một ngưỡng cho trước. Nếu mức tín hiệu thu được
vượt quá mức ngưỡng cho phép, BS sẽ gửi lệnh điều khiển công suất phát TCP tới UE
để giảm mức công suất phát của UE. Nếu mức tín hiệu thu được nhỏ hơn mức ngưỡng,
BS sẽ gửi lệnh điều khiển đến UE để tăng mức công suất phát.
Các tham số được sử dụng để đánh giá chất lượng công suất thu nhằm thực hiện
quyết định điều khiển công suất như: SIR, tỷ lệ lỗi khung FER, tỷ lẹ lỗi bit BER. Cơ chế
CLPC là cơ chế điều khiển công suất vòng trong và đó là cơ chế điều khiển công suất
nhanh nhất trong hệ thống W-CDMA.
4.2. Chuyển giao
Cũng như điều khiển công suất, chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn cần
phải có ở các hệ thống thông tin di động CDMA để tránh hiện tượng “xa - gần” (là hiện
tượng mà trong đó một hệ thống nhiều người sử dụng gặp nguy hiểm do sự có mặt của
một tín hiệu mạnh). Khi MS tiến sâu vào vùng phủ sóng của ô lân cận mà không được
BTS của ô này điều khiển công suất nó sẽ gây nhiễu lớn cho các MS trong ô này.
Chuyển giao cứng có thể tránh được điều này nhưng có thể xảy hiện tượng “xa - gần”
ở thời gian trễ. Vì thế cùng với điều khiển công suất, các chuyển giao mềm và chuyển
giao mềm hơn là công cụ quan trọng để giảm nhiễu ở CDMA.
a. Chuyển giao mềm
Chuyển giao mềm xảy giữa hai hay nhiều ô hay hai đoạn ô thuộc hai BTS khác
nhau. MS phát đến và thu từ hai BTS này đồng thời. Trong khi chuyển giao mềm MS ở
vùng chồng lấn vùng phủ của hai đoạn ô thuộc hai trạm gốc khác nhau. MS thu đồng
thời thông tin của người sử dụng từ các BTS và kết hợp chúng để có được thông tin tốt
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 71
nhất. Ở đường lên, thông tin phát đi từ MS được các BTS thu lại rồi chuyển đến RNC
Đồ án tốt nghiệp
để được kết hợp chung. Trong trường hợp chuyển giao mềm, các BTS phát lệnh điều
khiển công suất.
Ưu điểm của chuyển giao mềm:
So với chuyển giao cứng truyền thống, chuyển giao mềm có một số ưu điểm nổi
bật:
- Hạn chế hiệu ứng ping-pong (tạo ra do pha đinh của kênh vô tuyến và khi MS
di chuyển qua lại vùng biên giới của các ô) nên làm giảm tải trong báo hiệu mạng và
việc truyền dẫn là trong suốt nên giảm khả năng rớt cuộc gọi và mất mát dữ liệu dẫn đến
giảm khả năng nghẽn.
- Cùng với điều khiển công suất, chuyển giao mềm được dùng như là một kỹ
thuật để giảm nhiễu giao thoa.
b. Chuyển giao mềm hơn
Chuyển giao mềm hơn xảy giữa hai hay nhiều ô hay nhiều đoạn ô thuộc cùng
một BTS. Trong khi chuyển giao mềm hơn MS ở vùng chồng lấn giữa hai vùng phủ của
hai đoạn ô của BTS. Thông tin giữa MS và BTS xảy đồng thời trên hai kênh của giao
diện vô tuyến. Vì vậy cần sử dụng hai mã khác nhau ở đường xuống để MS có thể phân
biệt được hai tín hiệu.
c. Chuyển giao cứng
Chuyển giao cứng có thể xả trong một số trường hợp như: chuyển giao từ một ô
này sang một ô khác khi hai ô có tần số sóng mang khác nhau hoặc từ một ô này sang ô
khác khi các ô này được nối đến hai RNC khác nhau và không tồn tại giao diện Iur giữa
hai RNC này. W-CDMA cũng hỗ trợ cả chuyển giao cứng đến GSM. Điều này là cần
thiết khi triển khai W-CDMA các thuê bao W-CDMA có thể phải sử dụng GSM ở các
vùng W-CDMA chưa kịp phủ sóng.
VIII. KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG W-CDMA
1. Giới thiệu
Trong các hệ thống thông tin việc sử dụng hiệu quả băng tần là vấn đề được quan
tâm hàng đầu. Các hệ thống được thiết kế sao cho độ rộng băng tần càng nhỏ càng tốt.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 72
Trong W-CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy nhập kết
Đồ án tốt nghiệp
hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Đối với các hệ thống thông tin trải phổ (SS: Spread Spectrum), độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng trước khi được phát. Tuy độ rộng băng tần tăng lên rất nhiều nhưng lúc này nhiều người sử dụng có thể dùng chung một băng tần trải phổ, do đó mà hệ thống vẫn sử dụng băng tần có hiệu quả đồng thời tận dụng được các ưu điểm của trải phổ. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát.
Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau:
- Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS - Direct Sequence Spreading Spectrum):
Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu
nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit
- Trải phổ nhảy tần (FHSS - Frequency Hopping Spreading Spectrum):
Hệ thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập các tần số. Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên. Tần số trong khoảng thời gian một chip Tc được cố định không đổi . Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanh hoặc chậm, trong hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại.
- Trải phổ nhảy thời gian (THSS - Time Hopping Spreading Spectrum):
Thực hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian. Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung.
Trong hệ thống DSSS, tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy tín hiệu bằng cách nén phổ. Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng nhiễu phổ rộng, công suất thấp giống tạp âm. Trong các hệ thống FHSS và THSS mỗi người sử dụng được ấn định một mã ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào dùng chung tần số hoặc khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh bị xung đột. Nói cách khác DSSS là kiểu hệ thống lấy trung bình, FHSS và THSS là kiểu hệ thống tránh xung đột. Hệ thống thông tin di động công nghệ CDMA chỉ sử dụng DSSS nên ta chỉ xét kỹ thuật trải phổ DSSS.
2. Nguyên lý trải phổ DSSS
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 73
Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS - Direct Sequence Spreading Spectrum): Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip
m-1
ggg
m1
g
Đồ án tốt nghiệp
cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit. Hiệu quả của quá trình này là trải rộng độ rộng băng tức thời của dạng sóng theo hệ số N với cùng một mức công suất tín hiệu làm cho mật độ phổ công suất của tín hiệu trở nên khá thấp và giống như tạp âm.
Tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên và tốc độ bit được tính theo công thức sau :
Rc = 1/Tc
Rb = 1/Tb
Trong đó :
Rc : tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên.
Rb : tốc độ bit.
Tc : thời gian một chip.
Tb : thời gian một bit.
= T T n b
= T T n b T c
T : Thời gian một bit của luồng số cần phát b : Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ T n
Hình 3.11. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)
3. Mã trải phổ
Các tín hiệu trải phổ băng rộng được tạo bằng cách sử dụng các chuỗi mã giả tạp âm PN (Pseudo Noise). Mã giả tập âm còn được gọi là mã giả ngẫu nhiên do có các tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) và có biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định. Tuy nhiên máy thu cần biết mã này để tạo bản sao một cách chính xác và đồng bộ với mã được phát để giải mã bản tin. Vì thế mã giả ngẫu nhiên phải hoàn toàn xác định.
Mã giả ngẫu nhiên được tạo bằng các bộ thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 74
tính (LFSR : Linear Feedback Shift Register) và các cổng XOR.
m-1
ggg
m1
g
Đồ án tốt nghiệp
g m-1 ggg
m1
g 1 g 2
c i-m (1) S i (2) S i (m) S i
c i (j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở S i xung đồng hồ i.
= 1 : khóa đóng. = 0 : khóa mở, g g i i Đến bộ điều chế
Hình 3.12. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN
Một chuỗi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo
mã tuyến tính g(x) bậc m (m > 0) :
g(x) = gmxm + gm-1xm-1 + …+ g1x + g0 với gm = g0 = 1
xm : Đơn vị trễ.
Giả sử ta nạp chuỗi giá trị khởi đầu cho thanh ghi dịch :
S0 = {S0(1), S0(1), …S0(m)}
Giá trị đầu trong (m -1) xung đồng hồ đầu tiên là :
C0 = S0(m)
C1 = S0(m-1)
….
Cm-1 = S0(1)
Tại xung đồng hồ thứ i (i > m-1) ta có trạng thái của thanh ghi dịch :
(*) Si(m) = Si-1(m-1) = Si-2(m-2) = …= Si-m+1(1)
Si-m+1(1) = g1Si-m(1) + g2Si-m(2) + …+ Si-m(m) (gm = 1)
=> Si(m) = g1Si-m(1) + g2Si-m(2) + …+ Si-m(m)
Áp dụng công thức (*), ta có :
Si(m) = g1Si-1(m) + g2Si-2(m) + …+ Si-m(m)
Giá trị đầu tại xung thứ i chính là giá trị phần tử nhớ Si(m) của thanh ghi dịch:
Ci = g1Ci-1 + g2Ci-2 + …+ Ci-m
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 75
Hay :
Đồ án tốt nghiệp
Ci+m = g1Ci+m-1 + g2Ci+m-2 + …+ Ci
Tốc độ của mạch như trên bị hạn chế về tốc độ do tổng thời gian trễ trong các độ
của mạch tạo mã ngẫu nhiên ta có thể sử dụng sơ đồ mạch sau :
S
(1) i
(2) S i
(m) S i
g 1 g 2 g m-1
c i
(j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở S i xung đồng hồ i.
Đến bộ điều chế = 1: khóa đóng. = 0: khóa mở, g g i i
Hình 3.13. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN tốc độ cao
4. Các hệ thống DSSS – BPSK
4.1. Máy phát DSSS – BPSK
Sơ đồ khối máy phát DSSS – BPSK:
Bộ điều chế (BPSK) Bản tin cơ số hai
Tín hiệu DSSS - BPSK d(t)c(t)
b
+
cos(
p 2
q )
t
c
s(t) = Tín hiệu PN cơ số hai c(t)
f
b
E 2 T
Ta có thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận các giá trị ± 1 như sau:
td )(
t (
i
)
= (cid:229)
b
i
T
b
¥=
pd T
i
¥ - -
Trong đó:
di = ± 1 là bit số liệu thứ i .
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 76
Tb: độ rộng của một bit số liệu.
Đồ án tốt nghiệp
b
=
+
q
ts )(
tctd )()(
cos(
p 2
t
)
f
c
b
E 2 T
Tín hiệu d(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau. Tín hiệu nhận được d(t)c(t) sau đó sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK. Kết quả cho ta tín hiệu DSSS – BPSK xác định theo công thức:
Trong đó:
Eb: năng lượng trên một bit của sóng mang.
Tb: độ rộng một bit
fc: tần số sóng mang
θ: pha ban đầu của sóng mang
4.2. Máy thu DSSS – BPSK
Sơ đồ khối máy thu DSSS – BPSK:
Khôi phục đồng hồ kí hiệu
q
cos(
p 2
)'
+tf
c
b
2 T
b
i
+Tt
t i Khôi phục sóng mang
i +
(.)
dt
Z w(t) t+θ’) xcos(2πf c 1 hay -1 (cid:242)
i
t
t
c(t - τ) -
ts (
tc ()
)
t Bộ giải điều chế BPSK
b
- - - Đồng bộ = t tín hiệu PN ) Bộ tạo tín hiệu PN nội br td (
E 2 T
b
Mục đích của máy thu này là lấy bản tin d(t) (số liệu {di}) từ tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng với tạp âm. Do tồn tại trễ truyền lan τ nên tín hiệu thu là:
[
]
=
t
+
=
t
t
t
+
q
+
tr )(
ts (
)
tn )(
td (
tc ()
)
cos
p 2
t (
)
tn )(
'
f
c
b
E 2 T
- - - -
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 77
Trong đó:
Đồ án tốt nghiệp
Ebr: năng lượng trung bình của sóng mang trên một bit
n(t): tạp âm của kênh và đầu vào máy thu
2
br
br
=
t
t
+
q
=
t
+
q
Để giải thích quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết rằng không có tạp âm.Trước hết tín hiệu thu được trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp. Sau đó nó được giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Để giải trải phổ, phổ tín hiệu thu được nhân với tín hiệu đồng bộ PN c(t-τ) được tạo ở máy thu, ta được:
tw )(
td (
t (
)
)
cos(
p 2
t
)'
td (
)
cos(
p 2
t
)'
f
f
c
c
c
b
b
E 2 T
E 2 T
- - -
(Vì c(t) = ± 1)
Trong đó: θ’ = θ - 2πfcτ
b
i
+ Tt
=
+
q
)( tw
cos(
p 2
t
)'
dt
Tín hiệu nhận được là một tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần theo Nyquist là 1/Tb. Để giải điều chế ta giả thiết rằng máy thu biết được pha θ’ cũng như điểm khởi đầu của từng bit. Một bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ tương quan, hai bộ lọc phối hợp, đi sau là một thiết bị đánh giá ngưỡng. Để tách bit số liệu thứ i, bộ tương quan tính toán:
f
i
z
c
b
2 T
i
t
b
i
2
b
=
t
+
q
(cid:242)
)
p 2(
t
)'
dt
f
cos2
c
b
E T
i
+ Tt ( tdA t
b
i
+ Tt
- (cid:242)
[
=
t
+
+
( td
1)
cos(
p 4
-
]dt
q )'2
t
f
br
E
c
i
t
=
t
–=
(cid:242)
( td
)
br
br
E
E
- (*)
Trong đó: ti = iTb + τ là thời điểm đầu của bit thứ i.
Vì d(t - τ) là +1 hoặc -1 trong thời gian một bit nên thành phần thứ nhất của tích phân sẽ cho ta Tb hoặc –Tb. Thành phần thứ hai là thành phần nhân đôi tần số nên sau tích phân gần bằng 0. Vậy kết quả thu được như (*). Cho kết quả này qua thiết bị đánh giá ngưỡng (hay bộ so sánh) với ngưỡng 0 ta được đầu cơ số hai 1 hay -1. Ngoài thành
– , đầu của bộ tích phân cũng có thành phần tạp âm có thể gây lỗi. phần tín hiệu E br
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 78
Tín hiệu PN đóng vai trò như một mã được biết trước cả ở máy phát lẫn máy thu chủ định. Vì máy thu chủ định biết trước mã nên nó có thể giải trải phổ tín hiệu SS để
Đồ án tốt nghiệp
nhận được bản tin. Nếu máy thu chủ định không biết được mã thì nó không thể giải mã bản tin, do đó nó chỉ nhìn thấy một tín hiệu ngẫu nhiên ±1.
Để máy thu có thể khôi phục được bản tin thì máy thu phải đồng bộ với tín hiệu thu được. Máy thu phải nhận được các thông số như τ, ti, θ’ từ tín hiệu thu được. Quá trình nhận được τ gọi là quá trình đồng bộ, thường được thực hiện ở hai bước bắt và bám. Quá trình nhận được ti gọi là quá trình khôi phục đồng hồ kí hiệu. Còn quá trình nhận được θ’ (cũng như fc) gọi là quá trình khôi phục sóng mang.
5. Các hệ thống DSSS – QPSK
5.1. Máy phát DSSS – QPSK
Sơ đồ khối chức năng máy phát DSSS – QPSK:
(t) d(t)c 1 (t) s 1 Bộ điều chế BPSK (t) c 1
t+θ) -Asin(2πf c
Bộ tạo PN 1 Dịch π/2
Tín hiệu DSSS-QPSK
d(t)
Bộ tạo PN 2 t+θ) Acos(2πf c
(t) c 2 (t) d(t)c 2 (t) s 2 Bộ điều chế BPSK
Sơ đồ bao gồm hai nhánh:
- Một nhánh đồng pha
- Một nhánh pha vuông góc
Ở sơ đồ trên, cùng một đầu vào số liệu d(t) điều chế các tín hiệu PN c1(t) và c2(t)
ở cả hai nhánh. Tín hiệu DSSS – QPSK có dạng:
b
b
-=
+
q
+
+
q
td )(
t )(
sin(
p 2
t
)
td )(
t )(
cos(
p 2
t
)
f
f
1
2
c
c
c
c
b
b
E T
E T
s(t) = s1(t) + s2(t)
Trong đó:
tdt )()(
1
1
g
=
t )(
tan
tdt )()(
2
c c
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 79
(cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł
Đồ án tốt nghiệp
p
4/
=
p 4/3 p 4/5 p 4/7
(cid:236) (cid:239) (cid:239) (cid:237) (cid:239) (cid:239) nếu c1(t)d(t) = 1, c2(t)d(t) = 1 nếu c1(t)d(t) = 1, c2(t)d(t) = -1 nếu c1(t)d(t) = -1, c2(t)d(t) = -1 nếu c1(t)d(t) = -1, c2(t)d(t) = 1 (cid:238)
Vậy tín hiệu s(t) có thể nhận bốn trạng thái pha khác nhau: θ + π/4, θ+ 3π/4, θ
+ 5π/4, θ + 7π/4.
5.2. Máy thu DSSS – QPSK
Sơ đồ khối của máy thu DSSS – QPSK:
(t) W 1 (t) u 1
b
i
+Tt
(.)
dt
i
t
Bộ ước tính (t-τ) c 1 t+θ’) -Bsin(2πf c Z u(t) + 1 hay -1 (cid:242) s(t-τ) t+θ’) Bcos(2πf c (t-τ) c 2 -
(t) u 2 (t) W 2
=
B
Ở sơ đồ trên, các thành phần đồng pha và vuông góc được nén phổ độc lập với
2 T b
nhau bởi c1(t) và c2(t);
br
br
t
-=
t
t
+
q
+
t
t
+
q
Giả thiết rằng trễ là τ, tín hiệu vào sẽ là (Nếu bỏ qua tạp âm):
ts (
)
td (
)
t (
)
sin(
p 2
t
)'
td (
)
t (
)
cos(
p 2
t
)'
f
f
1
2
c
c
c
c
b
b
E T
E T
- - - - -
Trong đó:
Ebr: năng lượng bit thu
θ’ = θ - 2πfcτ
br
Các tín hiệu trước bộ cộng sẽ là:
]
[
=
t
+
t )(
td (
)
cos(
p 4
q )'2
t
1
f
1
u
c
1 2
b
E 2 T
br
t
t
t
+
- -
td (
)
t (
)
(
t
)
sin(
p 4
q )'2
t
f
1
2
c
c
c
1 2
b
E 2 T
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 80
- - - -
Đồ án tốt nghiệp
br
-=
t
t
t
+
t )(
td (
)
t (
)
(
t
)
sin(
p 4
q )'2
t
f
2
1
2
u
c
c
c
1 2
b
E 2 T
br
- - -
[
+
t
+
q
+
td (
)
1
cos(
p 4
-
])'2
t
f
c
1 2
b
E 2 T
Lấy tích phân cho tổng của hai tín hiệu trên (tất cả các thành phần tần số 2fc có
b
T
]
=
+
=
t
–=
giá trị trung bình bằng 0) ta được:
)( t
)( t
dt
( td
)
i
br
b
1
2
[ u
u
z
2
E
2
E
0
- (cid:242)
Vì thế đầu của bộ quyết định ngưỡng ta được +1 khi bit bản tin là +1 và -1 nếu bit bản tin là -1. Hai tín hiệu PN c1(t) và c2(t) có thể là hai tín hiệu PN độc lập hay chúng cũng có thể lấy từ cùng một tín hiệu PN, chẳng hạn c(t).
Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống DSSS – QPSK so với DSSS – BPSK
- Ưu điểm:
Nếu cùng một số liệu được phát đi bởi một hệ thống DSSS – QPSK có cùng độ rộng băng tần và độ lợi xử lý Gp như hệ thống DSSS – BPSK thì hệ thống DSSS – QPSK có ưu việt về SNR (tỷ số tín hiệu trên tạp âm) dẫn đến xác suất lỗi thấp hơn. Mặt khác một hệ thống DSSS – QPSK có thể phát gấp hai lần số liệu so với DSSS – BPSK khi sử dụng cùng độ rộng băng tần và có cùng Gp và SNR.
Các hệ thống DSSS – QPSK có ưu điểm hơn so với các hệ thống DSSS – BPSK là nhờ tính trực giao của các sóng mang sin(2πfct+θ) và cos(2πfc+θ) ở các nhánh đồng pha và vuông góc.
- Nhược điểm:
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 81
Nhược điểm của hệ thống DSSS – QPSK là phức tạp hơn hệ thống DSSS – BPSK. Ngoài ra, nếu các sóng mang được sử dụng để giải điều chế ở máy thu không thực sự trực giao thì sẽ xảy xuyên âm giữa hai nhánh và sẽ gây thêm sự giảm chất lượng của hệ thống.
Đồ án tốt nghiệp
UE
RNC
MSC/ VLR
CCCH: Yêu cầu kết nối RRC
CCCH: Thiết lập kết nối RRC
DCCH:Kết nối RRC đã hoàn thành
RANAP: Bản tin UE khởi đầu (Yêu cầu dịch vụ CM)
DCCH: Truyền trực tiếp khởi đầu
DCCH: Truyền trực tiếp (Yêu cầu nhận thực)
RANAP: Truyền trực tiếp (Yêu cầu nhận thực)
DCCH: Truyền trực tiếp (Trả lờì nhận thực)
RANAP: Truyền trực tiếp (Trả lời nhận thực)
DCCH: Lệnh chế độ bảo mật
RANAP: Lệnh chế độ bảo mật
DCCH: Hoàn thành chế độ bảo mật
RANAP:Hoàn thành chế độ bảo mật
DCCH: Truyền trực tiếp (Thiết lập)
DCCH: Truyền trực tiếp (Tiếp tục cuộc gọi)
RANAP: Truyền trực tiếp (Thiết lập) RANAP: Truyền trực tiếp (Tiếp tục cuộc gọi)
RANAP: Yêu cầu ấn định RAB
DCCH:Thiết lập vật mang hay lặp lại cấu hình vật mang vô tuyến
DCCH: Thiết lập vật mang vô tuyến đã hoàn thành hay lặp lại cấu hình đã hoàn thành
DCCH: Truyền trực tiếp (Báo chuông)
RANAP: Hoàn thành ấn định RAB RANAP: Truyền trực tiếp (Báo chuông)
DCCH:Truyền trực tiếp (Kết nối)
RANAP: Truyền trực tiếp (Kết nối)
RANAP: Truyền trực tiếp công nhận kết nối
DCCH:Truyền trực tiếp (Công nhận kết nối)
IX. THIẾT LẬP MỘT CUỘC GỌI TRONG W-CDMA UMTS
Hình 3.14 Thủ tục thiết lập cuộc gọi ở W-CDMA
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 82
Quá trình bắt đầu bằng yêu cầu truy nhập từ UE. Yêu cầu truy nhập này được phát trên kênh truyền tải FACH hoặc kênh truyền tải CPCH. Bản tin được phát là một yêu cầu để thiết lập một kết nối RRC trước khi thực hiện các giao dịch báo hiệu hay thiết lập vật mang. Yêu cầu kết nối RRC bao gồm cả lý do yêu cầu kết nối.
Đồ án tốt nghiệp
RNC trả lời bằng một bản tin thiết lập kết nối RRC. Bản tin này được phát ở kênh logic CCCH (thường được truyền trên kênh truyền tải FACH). Nếu một kênh truyền tải DCH được cấp phát thì bản tin thiết lập kết nối RRC sẽ chỉ một mã ngẫu nhiên để UE sử dụng ở đường lên.
UE trả lời RNC bằng bản tin kết nối RRC đã hoàn thành. Bản tin này được mang trên kênh logic DCCH đường lên. Sau đó UE phát một bản tin cho mạng lõi. Bản tin này được phát ở bản tin truyền trực tiếp khởi đầu vì lúc này chưa có thiết lập quan hệ báo hiệu trực tiếp giữa UE và mạng lõi. Bản tin này chỉ thị cho RNC và mạng lõi là cần thiết lập một quan hệ báo hiệu nối giữa UE và mạng lõi. RNC đặt bản tin truyền trực tiếp khởi đầu vào bản tin UE khởi đầu RANAP (Radio Access Network Applocation Part - phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến), RANAP là giao thức báo hiệu ở Iu , và gửi bản tin này đến mạng lõi. Trong trường hợp này bản tin được gửi đến MSC. Việc chọn MSC hay SGSN phụ thuộc vào thông tin ở tiêu đề của bản tin truyền khởi đầu phát đi từ UE.
Tiếp theo MSC sẽ khởi đầu các thủ tục bảo an. Thủ tục này bắt đầu bằng nhận thực trên nguyên tắc hiệu lệnh - trả lời giống như GSM. Ở đây có một điểm khác là UE và mạng nhận thực lẫn nhau. Nghĩa là mạng không chỉ phát số ngẫu nhiên đến UE để nhận được trả lời đúng mà còn phát cả thẻ nhận dạng mạng AUTN (Authentication Token Network) được tính toán độc lập ở mạng trong HLR để so sánh với AUTN được tính toán độc lập ở UE trong SIM. UE phát yêu cầu nhận thực bằng cách phát bản tin truyền trực tiếp của RANAP và giao thức RRC.
Nếu nhận thực thành công, UE phát trả lời bằng một bản tin trả lời nhận thực để MSC kiểm tra. Bản tin này được mang bằng cách sử dụng các khả năng truyền trực tiếp của RANAP và RRC.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 83
Sau đó mạng lõi khởi đầu các thủ tục mã hóa MSC gửi bản tin lệnh chế độ bảo mật RRC đến UE. UE trả lời MSC bằng bản tin RANAP. Hoàn thành chế độ bảo mật. Tại thời điểm này, thông tin thiết lập cuộc gọi thực sự như số điện thoại bị gọi được gửi ở bản tin thiết lập từ UE đến MSC bằng cách sử dụng báo hiệu truyền trực tiếp. Nếu có thể xử lý được cuộc gọi này, MSC sẽ trả lời bằng tin đang tiến hành cuộc gọi. Sau đó RNC cần thiết lập vật mang truy nhập vô tuyến B để truyền tải luồng tiếng thực sự của người sử dụng. B là một vật mang giữa UE và mạng lõi để truyền tải số liệu của người sử dụng. Tiếng hoặc số liệu gói B được đặt trên một hay nhiều vật mang vô tuyến ở giao diện vô tuyến. Mỗi B có số nhận dạng riêng của mình để sử dụng trong quá trình báo hiệu giữa UE và mạng. Mạng lõi phát yêu cầu thiết lập B thông qua bản tin yêu cầu ấn định B của RANAP.
Đồ án tốt nghiệp
Trên cơ sở thông tin yêu cầu ấn định B, RNC có thể thiết lập một vật mang vô tuyến mới cho UE hoặc có thể lập lại cấu hình vật mang hiện UE đang hoạt động. RNC sử dụng hoặc bản tin RRC thiết lập vật mang vô tuyến hoặc lập lại cấu hình vật mang vô tuyến để hướng dẫn UE sử dụng các vật mang mới hoặc lập lại cấu hình. UE trả lời hoặc bằng bản tin thiết lập vật mang vô tuyến đã hoàn thành hoặc bản tin lập lại cấu hình vật mang vô tuyến đã hoàn thành. RNC trả lời MSC bằng bản tin RANAP hoàn thành ấn định B. Lúc này có một đường dẫn vật mang từ UE đến MSC.
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 84
Phần còn lại của quá trình thiết lập cuộc gọi hoàn toàn giống như thiết lập cuộc gọi ở GSM bao gồm: Các bản tin báo chuông, kết nối và xác nhận kết nối được truyền ở báo hiệu truyền trực tiếp.
Đồ án tốt nghiệp
KẾT LUẬN
Sau một thời gian học tập, nghiên cứu, được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trực tiếp là PGS.TS Nguyễn Quốc Trung cùng các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ trường Đại học Vinh đến nay em đã hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp. Tuy nhiên do khả năng có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để em có thể nắm vững thêm kiến thức khi ra trường.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 85
Hoàng Thị Huệ
Đồ án tốt nghiệp
BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
Access Burst Analog/Digital Authentication Centre Authentication Token Network Automatic Gain Control Access Grant Channel Adaptive Multi Rate Asynchronous Tnsfer Mode Addition White Gaussian Noise Cụm thâm nhập Bộ chuyển đổi tương tự sang số Trung tâm nhận thực Thẻ nhận dạng mạng Mạch điều khiển khuếch đại tự động Kênh cho phép thâm nhập Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng Chế độ truyền không đồng bộ Tạp âm Gauss trắng cộng sinh AB A/D AUC AUTN AGC AGCH AMR ATM AWGN
B
Trạm thu phát gốc Hệ thống con trạm gốc Bộ điều khiển trạm gốc Mã nhận dạng trạm thu phát gốc BTS BSS BSC BSIC
Base Transceiver Station Base Station Subsystem Base Station Controller Base Transceiver Station Identity Code Broadcast Control Channel Border Gateway Binary Phase Shift Keying Bit Error Rate Base Station Kênh điều khiển quảng bá Cổng đường biên Điều chế pha nhị phân Tỷ lệ lỗi bit Trạm gốc BCCH BG BPSK BER BS
C
CEPT
CCITT
CSPDN
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 86
European Conference of Postal and Telecommunications Administtions Committee International Telephone and Telegph Circuit Switch Public Data Network Control Channel Common Control Channel Cell Global Identity Cell Identity Code Division Multiple Access Charging Data Records Core Network Circuit Switching Common Traffic Channel Common Packet Channel Mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch Kênh điều khiển Kênh điều khiển chung Số nhận dạng ô Số nhận dạng tế bào Đa truy nhập phân chia theo mã Bản ghi dữ liệu cước Mạng lõi Chuyển mạch kênh Kênh lưu lượng chung Kênh gói chung CCH CCCH CGI CI CDMA CDRs CN CS CTCH CPCH
Đồ án tốt nghiệp
CPICH CCPCH Kênh hoa tiêu chung Kênh vật lý điều khiển chung
CLPC CC CRC Common Pilot Channel Common Control Physical Channel Closed loop Power Control Convolutional Code Cyclic Redundance Check Điều khiển công suất vòng kín Mã xoắn Kiểm tra độ dư vòng
D
DPCH DCCH DTCH DPDCH DPCCH Kênh vật lý dành riêng Kênh điều khiển dành riêng Kênh lưu lượng dành riêng Kênh số liệu vật lý dành riêng Kênh điều khiển vật lý dành riêng
DSSS Deticated Physical Channel Deticated Control Channel Deticated Traffic Channel Deticated Physical Data Channel Deticated Physical Control Channel Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp
E
ETSI Viện tiêu chuẩn viễn thông Chân Âu
EIR EDGE
ECSD European Telecommunications Standards Institute Equipment Identification Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị Enhanced Data tes for GSM Evolution Enhanced Circuit Switched Data Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM Tăng cường dữ liệu chuyển mạch kênh
F
FDMA Đa truy nhập phân chia theo thời gian
Điều chế số theo tần số tín hiệu Cụm hiệu chỉnh tần số Kênh hiệu chỉnh tần số Số khung Kênh điều khiển liên kết nhanh FSK FB FCCH FN FACCH FSCCH
FDD FER FHSS Song công phân chia theo tần số Tỷ lệ lỗi khung Trải phổ nhảy tần Frequency Division Multiple Access Frequency Shift Keying Frequency Correction Burst Frequency Correction Channel Frame Number Fast Associated Control Channel Forward Supplemental Code Channel Frequency Division Duplex Frame Error Rate Frequency Hopping Spreading Spectrum
G
GSM Hệ thống viễn thông toàn cầu
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 87
GMSC Global System for Mobile Communication Gateway MSC Trung tâm chuyển mạch các nghiệp
Đồ án tốt nghiệp
GMSK Gaussian Minimum Shift Keying
GPRS GGSN GTP GSN 3GPP General Packet Radio Service GPRS Support Node GPRS Tunnelling Protocol GPRS Support Node Third Generation Partnership Pecject vụ di động cổng Điều chế khóa dịch pha cực tiểu Gauss Dịch vụ vô tuyến gói chung Nút hỗ trợ cổng GPRS Giao thức đường hầm GPRS Nút hỗ trợ GPRS Tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng thông tin di động tế bào
H
Bô ghi định vị trường trú
HLR HSCSD HPLMN
HPSK Home Location Register High Speed Circuit Switched Data Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao Home Public Land Mobile Network Hybrid Phase Shift Keying Mạng di động mặt đất công cộng thường trú Điều chế pha hỗn hợp
I
ISDN Mạng số liên kết đa dịch vụ
IWF IMEI Các chức năng tương tác Số nhận dạng di động quốc tế
IMSI
IP IF Integrated Service Digital Network Interworking Function International Mobile Equipment Identity International Mobile Subciber Identity Internet Protocol Intermediate Frequency Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế Giao thức Internet Trung tần
L
LA LAI LAC LLC LFSR Location Area Location Area Identity Location Area Code Logical Link Control Linear Feedback Shift Register Vùng định vị Số nhận dạng vùng định vị Mã vùng định vị Điều khiển kênh logic Bộ thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến tính
M
MS MSC Mobile Station Mobile Service Switching Center
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 88
ME MSK MCC MNC Mobile Equipment Minimum Shift Keying Mobile Country Code Mobile Network Code Trạm di động Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động Thiết bị di động Điều chế khóa pha cực tiểu Mã quốc gia của mạng di động Mã mạng thông tinn di động
Đồ án tốt nghiệp
MSIN Số nhận dạng trạm di động
MSRN MT MMS MAC MM Mobile Station Identification Number Mobile Station Roaming Number Mobile Terminal Multimedia Messaging Service Medium Access Control Mobile Management Số lưu động của thuê bao di động Máy di động đầu cuối Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện Điều khiển truy nhập môi trường Quản lý di động
N
NMC NB NRZ NSS Network Management Center Normal Burst Non Return ti Zero Network Subsystem Trung tâm quản lý mạng Cụm bình thường Mã không trở về không Phân hệ mạng
O
OSS OMC OLPC Opration Subsystem Operation & Maintenance Center Open Loop Power Control Hệ thống con khai thác Trung tâm quản lý và bảo dưỡng Điều khiển công suất vòng hở
P
PSTN Public Switch Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công
PSPDN
PLMN PCM PCH PCU PDP PLL PTP PTM PN PACCH cộng Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói Mạng di động mặt đất công cộng Điều chế xung mã Kênh tìm gọi Đơn vị điều khiển gói Giao thức dữ liệu gói Lớp đường truyền vật lý Điểm - điểm Điểm – đa điểm Mã giả tạp âm Kênh điều khiển liên kết gói
PCCCH PCPCH PDSCH Kênh chia sẻ đường xuống vật lý
PRACH PSK PDCP PS PCCC Khóa dịch pha Giao thức hội tụ số liệu gói Chuyển mạch gói Mã xoắn móc nối song song
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 89
Packet Switched Public Data Network Public Land Mobile Network Pulse Code Modulation Paging Channel Packet Control Unit Packet Data Protocol Physical Link Layer Point to Point Point to Multi point Pseudo Noise Packet Associated Control Channel Packet Common Control Channel Kênh điều khiển gói chung Physical Common Packet Channel Kênh gói chung vật lý Physical Downlink Shared Channel Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý Phase Shift Keying Packet Data Convergence Packet Switch Parallel Concatenated Convolutional Code
Đồ án tốt nghiệp
R
RACH RLC RF RA RNC RNS RANAP Random Access Channel Radio Link Control Radio Frequency Routing Area Radio Network Controller Radio Network Subsystem Radio Access Network Application Part Kênh truy nhập ngẫu nhiên Điều khiển liên kết vô tuyến Tần số sóng mang Vùng định tuyến Bộ điều khiển mạng vô tuyến Hệ thống mạng con vô tuyến Phần ứng dụng truy nhập mạng vô tuyến
S
SS SIM SB SCH SDCCH Hệ thống con chuyển mạch Modul nhận dạng thuê bao Cụm đồng bộ Kênh đồng bộ Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình
Switching Subsystem Subscriber Identity Module Synchronization Burst Synchoronization Channel Stand alone Dedicated Control Channel Slow Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết chậm Set Asynchronous Balance Mode Kiểu cân bằng không đồng bộ tổ hợp Short Message Service Subcriber Number Serving GPRS Support Node Service Access Point Identifier Signal to Noise Ratio Service Data Unit
Dịch vụ bản tin ngắn Số thuê bao Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS Nhận dạng điểm truy nhập dịch vụ Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm Khối đữ liệu dịch vụ Hệ số trải phổ Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp SACCH SAMB SMS SN SGSN SAPI SNR SDU SF SCPCH
Secondary Common Control Physical Channel Shared Channel Control Channel Kênh điều khiển phân chia kênh SHCCH
T
Time Division Multiple Access Transcoder/Rate Adapter Unit TDMA TRAU
Đa truy nhập phân chia theo thời gian Khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ Kênh lưu lượng Thiết bị đầu cuối Chức năng thích ứng đầu cuối Giao thức điều khiển truyền dẫn
TCH TE TAF TCP TLLI TDD TS TPC TFCI
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 90
Traffic Channel Terminal Equipment Terminal Adaptation Function Transmission Control Protocol Temporary Logical Link Identifier Nhận dạng kênh logic tạm thời Time Division Duplex Time Slot Transmit Power Control Transport Format Combination Indicator Song công phân chia theo thời gian Khe thời gian Điều khiển công suất truyền dẫn Bộ chỉ thị kết hợp định dạng truyền dẫn
Đồ án tốt nghiệp
THSS Trải phổ nhảy thời gian Time Hopping Spreading Spectrum
U
UMTS Hệ thống viễn thông di động toàn cầu
UTRAN
UE USIM Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS Thiết bị người sử dụng Modul nhận dạng thuê bao UMTS Universal Mobile Telecommunication System UMTS Terrestrial Radio Access Network User Equipment UMTS Subscriber Identity Module
V
VLR VTS VPLMN Visistor Location Register Video Streaming Visited Public Land Mobile Network Bộ ghi định vị tạm trú Dịch vụ truyến ảnh động Mạng di động mặt đất công cộng tạm trú
W
Wireless Application Protocol WAP W-CDMA Wideband Code Division Multiple Giao thức ứng dụng không dây Đa truy cập phân mã băng rộng Access
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 91
Đồ án tốt nghiệp
1. Thông tin di động GSM – TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Học viện Công nghệ Bưu chính - Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu điện 1999
2. Hệ thống thông tin di động W-CDMA – KS. Nguyễn Văn Thuận, Học viện Công nghệ Bưu chính - Viễn thông.
3. Thông tin di động thế hệ 3 (tập 1,2) – TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Nhà xuất bản Bưu điện
4. Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô tuyến – TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Học viện Công nghệ Bưu chính - Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu điện 2004.
5. Các Website:
www.google.com.vn
www.diendandientu.com
www.picvietnam.net
www.vntelecom.org.vn
www.quantrimang.com
www.dientuvietnam.net
Hoàng Thị Huệ 45K2 ĐT - VT Khoa Công Nghệ 92
và một số trang web khác.
