Tổng quan về thông tin di động số
1.3 . Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lượng và chất
lượng, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số
lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số .
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số .Và chúng
sử dụng 2 phương pháp đa truy cập :
Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access -
TDMA).
Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access -
CDMA).
1.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.
Với phương pháp truy cập TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và
trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người
sử dụng sao cho không có sự chồng chéo. Phổ quy định cho liên lạc di động
được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho
N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một
khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao
được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung .
Đặc điểm :
-Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
-Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong
đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy
di động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến
trạm gốc. Việc phân chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể
hoạt động cùng một lúc mà không sợ can nhiễu nhau.
-Giảm số máy thu phát ở BTS.
-Giảm nhiễu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu
(Global System for Mobile Communications - GSM).
Trang 12
Tổng quan về thông tin di động số
Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật
FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử
lý không quá 106 lệnh trong 01 giây, còn trong MS số TDMA phải có khả
năng xử lý hơn 50x106 lệnh trên giây.
1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.
Với phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên
nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành
các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói
trên được phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với
bất kỳ ai. Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và
những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên
(Pseudo Noise - PN).
Đặc điểm của CDMA:
-Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
-Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
-Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ
trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA..
-Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị
truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn
đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt.
1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba.
Công nghệ thông tin di động số thế hệ ba. Công nghệ này liên quan đến những
cải tiến đang được thực hiện trong lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại
và dữ liệu thông qua bất kỳ chuẩn nào trong những chuẩn hiện nay. Đầu tiên là
tăng tốc độ bit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps. Khi số lượng thiết bị cầm tay được
thiết kế để truy cập Internet gia tăng, yêu cầu đặt ra là phải có được công nghệ
truyền thông không dây nhanh hơn và chất lượng hơn. Công nghệ này sẽ nâng cao
chất lượng thoại, và dịch vụ dữ liệu sẽ hỗ trợ việc gửi nội dung video và multimedia
Trang 13
Tổng quan về thông tin di động số
đến các thiết bị cầm tay và điện thoại di động.
Các hệ thống thông tin di động số hiện nay đang ở giai đoạn chuyển từ thế hệ
2.5G sang thế hệ 3 (3 - Generation). Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và các dịch
vụ thông tin di động, ngay từ đầu những năm đầu của thập kỷ 90 người ta đã tiến
hành nghiên cứu hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba. ITU-R đang tiến
hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Ở
châu Âu ETSI đang tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS
(Universal Mobile Telecommunnication System). Hệ thống mới này sẽ làm việc ở
dải tần 2GHz. Nó sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và
số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể
lên đến 2Mbps. Người ta cũng đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống vô tuyến thế
hệ thứ tư có tốc độ lên đến 32Mbps.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được xây dựng trên cơ sở IMT – 2000
với các tiêu chí sau :
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz với đường lên có dải tần 1885-
2025MHz và đường xuống có dải tần 2110-2200MHz.
- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến,
tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, đồng thời tương tác với mọi
loại dịch vụ viễn thông.
- Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng các môi trường khai thác khác nhau.
- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như : Môi trường thông tin nhà ảo (VHE – Vitual
Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch
toàn cầu; Đảm bảo chuyển mạng quốc tế; Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng
thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
- Dể dàng hỗ trợ các dich vụ mới xuất hiện.
Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai phát triển thông dụng nhất hiện nay
là : GSM, cdmaOne (IS-95), TDMA (IS-136), PDC. Trong quá trình thiết kế hệ
thống thông tin di động thế hệ ba, các hệ thống thế hệ hai được cơ quan chuẩn hóa
của từng vùng xem xét để đưa ra các đề xuất tương ứng thích hợp với mỗi vùng.
Trang 14
Tổng quan về thông tin di động số
1.3 Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển của hệ thống thông
tin di động. Với nhu cầu không ngừng tăng lên của người sử dụng cả về chất lượng
và số lượng, nhu cầu trao đổi thông tin ở trình độ cao và đa dạng sự phát triển ấy là
tất yếu.Hiện nay công nghệ 3G đang được ứng dụng một cách mạnh mẽ ở các nước
trên thế giới với các dịch vụ tiện ích như điện thoại truyền hình, truy nhập internet,
…
Trang 15
Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM
Chương 2
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM
2.1 Giới thiệu chương.
Chương này sẽ giới thiệu về sự hình thành và phát triển của hệ thống thông tin
di động GSM, kiến trúc mạng GSM , phương pháp đa truy cập trong GSM , các thủ
tục thông tin của thuê bao sử dụng trong mạng và sự cần thiết phải nâng cấp mạng
GSM lên thế hệ 3G.
Lịch sử hình thành GSM bắt đầu từ một đề xuất vào năm 1982 của Nordic
Telecom và Netherlands tại CEPT (Conference of European Post and
Telecommunication) để phát triển một chuẩn tế bào số mới đáp ứng với nhu cầu
ngày càng tăng của mạng di động Châu Âu.
Ủy ban Châu Âu (EC) đưa ra lời hướng dẫn yêu cầu các quốc gia thành viên
sử dụng GSM cho phép liên lạc di động trong băng tần 900MHz. Viện tiêu chuẩn
viễn thông Châu Âu (ETSI) định nghĩa GSM khi quốc tế chấp nhận tiêu chuẩn hệ
thống điện thoại tế bào số.
Lời đề xuất có kết quả vào tháng 9 năm 1987, khi 13 nhà điều hành và quản lý
của nhóm cố vấn CEPT GSM thỏa thuận ký hiệp định GSM MoU “Club”, với ngày
khởi đầu là 1 tháng 7 năm 1991.
GSM là từ viết tắt của Global System for Mobile Communications (hệ thống
thông tin di động toàn cầu), trước đây có tên là Groupe Spécial Mobile.
Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là hệ thống thông tin tế bào số tích
hợp và toàn diện, được phát triển đầu tiên ở Châu Âu và đã nhanh chóng phát triển
trên toàn thế giới. Mạng được thiết kế phù hợp với hệ thống ISDN và các dịch vụ
mà GSM cung cấp là một hệ thống con của dịch vụ ISDN chuẩn.
Trang 16
Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM
Hình 2.1
GSM đầu tiên được thiết kế hoạt động ở dải tần 890-915 MHz và 935-960
MHz, hiện nay là 1.8GHz. Một vài tiêu chuẩn chính được đề nghị cho hệ thống :
• Chất lượng âm thoại chính thực sự tốt.
• Giá dịch vụ và thuê bao giảm.
• Hỗ trợ liên lạc di động quốc tế.
• Khả năng hỗ trợ thiết bị đầu cuối trao tay.
• Hỗ trợ các phương tiện thuận lợi và dịch vụ mới.
• Năng suất quang phổ.
• Khả năng tương thích ISDN.
Tiêu chuẩn được ban hành vào tháng giêng năm 1990 và những hệ thống
thương mại đầu tiên được khởi đầu vào giữa năm 1992. Tổ chức MoU
(Memorandum of Understanding) thành lập bởi nhà điều hành và quản lý GSM
được cấp phép đầu tiên, lúc đó có 13 hiệp định được ký kết và đến nay đã có 191
thành viên ở khắp thế giới. Tổ chức MoU có quyền lực tối đa, được quyền định
chuẩn GSM.
2.2. Cấu trúc mạng GSM
Mạng GSM gồm nhiều khối chức năng khác nhau. Hình dưới cho thấy cách
bố trí của mạng GSM tổng quát. Mạng GSM có thể chia thành ba phần chính.
Trạm di động (Mobile Station_MS) do thuê bao giữ. Hệ thống con trạm gốc (Base
Station Subsystem_BSS) điều khiển liên kết với trạm di động. Hệ thống mạng con
(Network Subsystem_NS) là phần chính của trung tâm chuyển mạch dịch vụ di
Trang 17
Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM
động MSC (Mobile services Switching Center), thực hiện chuyển mạch cuộc gọi
giữa những người sử dụng điện thoại di động, và giữa di động với thuê bao mạng cố
định. MSC xử lý các hoạt động quản lý di động. Trong hình không có trình bày
trung tâm duy trì và điều hành (Operations and Maintenance Center_OMS), giám
sát điều hành và cơ cấu của mạng. Trạm di động và hệ thống con trạm gốc thông
tin dùng giao tiếp Um, còn được gọi là giao tiếp không trung hay liên kết vô tuyến.
Hệ thống con trạm gốc liên lạc với trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động dùng
giao tiếp A.
Hình 2.2 :Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào
2.2.1 Trạm di động
Trạm di động (Mobile Station_MS) gồm có thiết bị di động (đầu cuối) và một
card thông minh gọi là module nhận dạng thuê bao (Subscriber Identity
Module_SIM). SIM cung cấp thông tin cá nhân di động, vì thế người sử dụng truy
cập vào các dịch vụ thuê bao không phụ thuộc vào loại thiết bị đầu cuối. Bằng cách
gắn SIM vào đầu cuối GSM, người sử dụng có thể nhận, gọi và nhận các dịch vụ
thuê bao khác trên thiết bị đầu cuối này.
Trang 18
Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM
Thiết bị di động được nhận dạng duy nhất bằng số nhận dạng thiết bị di động
quốc tế (International Mobile Equipment Identity_IMEI). SIM card chứa số nhận
dạng thuê bao di động quốc tế (International Mobile Subscriber Identity_IMSI) sử
dụng để nhận dạng thuê bao trong hệ thống, dùng để xác định chủ quyền và thông
tin khác. Số IMEI và IMSI độc lập nhau. SIM card có thể được bảo vệ chống lại
việc sử dụng trái phép bằng password hoặc số nhận dạng cá nhân.
2.2.2. Hệ thống con trạm gốc.
Hệ thống con trạm gốc gồm hai phần: trạm gốc thu phát (BTS) và trạm gốc
điều khiển (BSC). Hai hệ thống này liên kết dùng giao tiếp Abis chuẩn hoá, cho
phép điều hành các bộ phận cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau.
Trạm thu phát gốc là nơi máy thu phát vô tuyến phủ một cell và điều khiển các
giao thức liên kết vô tuyến với trạm di động. Trong một thành phố lớn, có nhiều
khả năng triển khai nhiều BTS, do đó yêu cầu BTS phải chính xác, tin cậy, di
chuyển được và giá thành thấp.
Trạm gốc điều khiển tài nguyên vô tuyến của một hoặc nhiều BTS. Trạm điều
khiển cách thiết lập kênh truyền vô tuyến, nhảy tần và trao tay. BSC là kết nối
giữa trạm di động và tổng đài di động (MSC).
2.2.3. Hệ thống mạng con.
Thành phần chính của hệ thống mạng con là tổng đài di động, hoạt động như
một nút chuyển mạch bình thường của PSTN hoặc ISDN, và cung cấp tất cả các
chức năng cần có để điều khiển một thuê bao di động, như đăng ký, xác nhận, cập
nhật tọa độ, trao tay, và định tuyến cuộc gọi cho một thuê bao liên lạc di động.
Những dịch vụ này được cung cấp chung với nhiều bộ phận chức năng khác, tạo
nên hệ thống mạng con. MSC cung cấp kết nối đến mạng cố định (như PSTN hoặc
ISDN). Báo hiệu giữa các bộ phận chức năng trong hệ thống mạng con là hệ thống
báo hiệu số 7 (SS7) sử dụng cho báo hiệu trung kế trong mạng ISDN và mở rộng sử
dụng trong mạng công cộng hiện tại.
Trang 19
Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM
Bộ ghi định vị thường trú (HLR) và bộ ghi định vị tạm trú (VLR) cùng với
MSC cung cấp định tuyến cuộc gọi và khả năng liên lạc di động của GSM. HLR
chứa tất cả thông tin quản trị của mỗi thuê bao đã đăng ký trong mạng GSM tương
ứng, cùng với vị trí hiện tại của di động. Vị trí của di động thường ở dưới dạng địa
chỉ báo hiệu của VLR chứa trạm di động.
Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) chứa thông tin quản trị được chọn từ HLR, cần
thiết cho điều khiển cuộc gọi và cung cấp các dịch vụ thuê bao, cho mỗi thuê bao
hiện tại nằm trong vùng địa lý điều khiển bởi VLR. Mặc dù mỗi bộ phận chức năng
chung có thể được thực hiện độc lập nhưng tất cả các nhà sản xuất thiết bị chuyển
mạch cho đến nay đều sản xuất VLR với MSC, vì thế vùng địa lý điều khiển bởi
MSC sẽ tương ứng với điều khiển bởi VLR đó, do đó đơn giản hóa báo hiệu cần
thiết. Lưu ý rằng MSC không chứa thông tin các trạm di động – thông tin này lưu
trữ trong các thanh ghi vị trí.
Có hai bộ ghi khác sử dụng cho mục đích xác nhận và bảo mật. Bộ ghi nhận
thực thiết bị (EIR) là một cơ sở dữ liệu chứa một danh sách tất cả các thiết bị di
động hợp lệ trên mạng, mỗi trạm di động được xác nhận bằng số nhận dạng thiết bị
di động quốc tế (IMEI). Số IMEI bị đánh dấu là không hợp lệ nếu được thông báo
mất cắp hoặc không được chấp thuận. Trung tâm nhận thực AuC là cơ sở dữ liệu
được bảo vệ chứa bản sao khóa mã trong SIM card của thuê bao, sử dụng để nhận
thực và mã hóa trên kênh vô tuyến.
2.2.4 Đa truy cập trong GSM.
Mạng GSM kết hợp hai phương pháp đa truy cập là FDMA và TDMA. Dải tần
935 – 960MHz được sử dụng cho đường lên và 890 – 915MHz cho đường xuống
(GSM 900). Dải băng thông tần một kênh là 200KHz, dải tần bảo vệ ở biên cũng
rộng 200KHz nên ta có tổng số kênh trong FDMA là 124. Một dải thông TDMA là
một khung có tám khe thời gian, một khung kéo dài trong 4.616ms. Khung đường
lên trễ 3 khe thời gian so với khung đường xuống, nhờ trễ này mà MS có có thể sử
Trang 20
Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM
dụng một khe thời gian có cùng số thứ tự ở cả đường lên lẫn đường xuống để truyền
tin bán song công.
Các kênh tần số được sử dụng ở GSM nằm trong dãy tần số quy định 900Mhz
xác định theo công thức sau:
FL = 890,2 + 0,2.(n-1) MHz
FU = FL(n) + 45 MHz
1 n 124
Từ công thức trên FL là tần số ở nửa băng thấp, FU là tần số ở nửa băng cao,
0,2MHz là khoảng cách giữa các kênh lân cận, 45Mhz là khoảng cách thu phát, n số
kênh tần vô tuyến. Ta thấy tổng số kênh tần số có thể tổ chức cho mạng GSM là
124 kênh. 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 chỉ được sử dụng lại tần số
ở khoảng cách cho phép.
Truyền dẫn vô tuyến ở GSM được chia thành các cụm (BURST) chứa hàng
trăm bit đã được điều chế. Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian 577µs ở
trong một kênh tần số có độ rộng 200 Khz nói trên. 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
0 – 7 (TS0, TS1,...TS7).
2.2.5 Các thủ tục thông tin.
2.2.5.1 Đăng nhập thiết bị vào mạng.
Khi một thuê bao không ở trạng thái gọi, nó sẽ quét 21 kênh thiết lập trên tổng
số 416 kênh. Sau đó nó chọn một kênh mạnh nhất và khóa ở kênh này. Sau 60s qúa
trình tự định vị được lặp lại.
Khi thuê bao bật lên, thiết bị dò tần số GSM để tìm kênh điều khiển. Sau đó,
thiết bị đo cường độ của tín hiệu từ các kênh và ghi lại. Cuối cùng chuyển sang kết
nối với kênh có tín hiệu mạnh nhất.
2.2.5.2 Chuyển vùng.
Trang 21
Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM
Vì GSM là một chuẩn chung nên thuê bao có thể dùng điện thoại hệ GSM tại
hầu hết các mạng GSM trên thế giới. Trong khi di chuyển thiết bị liên tục dò kênh
để luôn duy trì tín hiệu với trạm là mạnh nhất. Khi tìm thấy trạm có tín hiệu mạnh
hơn, thiết bị sẽ tự động chuyển sang trạm mới, nếu trạm mới nằm trong vùng phủ
khác thiết bị sẽ báo cho mạng biết vị trí mới của mình.
Riêng trong chế độ chuyển vùng quốc tế hoặc chuyển vùng giữa mạng của hai
nhà khai thác dịch vụ khác nhau thì quá trình cập nhật vị trí đòi hỏi phải có sự chấp
thuận và hổ trợ từ cấp nhà khai thác dịch vụ.
2.2.5.3 Thực hiện cuộc gọi.
2.2.5.3.1 Cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định.
Trình tự thiết lập cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định như sau :
1. Thiết bị gửi yêu cầu một kênh báo hiệu.
2. BSC/TRC sẽ chỉ định kênh báo hiệu.
3. Thiết bị gửi yêu cầu cuộc gọi cho MSC/VLR. Thao tác đăng ký trạng thái
tích cực cho thiết bị vào VLR, xác thực, mã hóa, nhận dạng thiết bị, gửi số được gọi
cho mạng, kiểm tra xem thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi ra đều được thực hiện
trong bước này.
4. Nếu hợp lệ MSC/VLR báo cho BSC/TRC một kênh đang rỗi.
5. MSC/VLR chuyển tiếp số được gọi cho mạng PSTN.
6. Nếu máy được gọi trả lời, kết nối sẽ thiết lập.
