Luận văn Phân tích chuyển giao trong mạng GSM - Hoàng Hữu Thành

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:117

Thêm vào BST

Báo xấu

209
lượt xem 51
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Phân tích chuyển giao trong mạng GSM gồm 3 chương. Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng GSM, mô hình kiến trúc, mô hình mạng và mạng truy cập GSM. Chương 2: Giao thức báo hiệu điều khiển cuộc gọi trong mạng GSM. Thủ tục bật tắt máy di động, việc cập nhật vị trí và các thủ tục điều khiển việc truy cập vào để tiến hành một cuộc gọi. Chương 3: Chuyển giao trong mạng GSM, giới thiệu về các loại chuyển giao có thể xảy ra trong mạng, các giao diện liên quan đến chuyển giao, thủ tục chuyển giao bao gồm các bản tin có liên quan, phân tích chuyển giao dựa trên ngôn ngữ SDL, dựa trên ngôn ngữ SDL để thiết kế mô hình chuyển giao sử dụng CPN.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Phân tích chuyển giao trong mạng GSM - Hoàng Hữu Thành

Phân tích chuyển giao trong mạng GSM ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Hữu Thành PHÂN TÍCH CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG GSM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện Tử - Viễn Thông Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Quốc Tuấn Cán bộ phản biện : PGS.TS Vương Đạo Vi HÀ NỘI - 2008 1 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM MỤC LỤC MỞ ĐẦU.........................................................................................................................4 Chương 1.........................................................................................................................6 TỔNG QUAN MẠNG GSM.........................................................................................6 1.1 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC CỦA GSM.....................................................................6 1.1.1 Trạm di động MS (Mobile Station).................................................................6 1.1.2 Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identuty Module) .....................7 1.1.3 Trạm thu phát cơ sở BTS (Base Transceiver Station) ....................................7 1.1.4 Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station controller) ..................................8 1.1.5 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC........................................8 1.1.6 Bộ ghi định vị thường trú HLR.......................................................................8 1.1.7 Bộ ghi định vị tạm trú VLR ............................................................................8 1.1.8 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR .................................................................9 1.1.9 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC.............................................9 1.1.10 Điều khiển quản lý và bảo dưỡng OMC .......................................................9 1.1.11 Các giao diện trong mạng GSM....................................................................9 1.2 MÔ HÌNH MẠNG GSM .....................................................................................11 1.3 MẠNG TRUY CẬP GSM...................................................................................12 1.3.1 Các kênh vật lý..............................................................................................12 1.3.2 Các kênh logic...............................................................................................18 1.4 XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG GSM ................................................................22 1.4.1 Mã hoá tiếng nói............................................................................................22 1.4.2 Mã hoá kênh..................................................................................................23 1.4.3 Đan xen .........................................................................................................24 1.4.4 Mật mã hoá....................................................................................................25 1.4.5 Điều chế ........................................................................................................26 Chương 2.......................................................................................................................29 GIAO THỨC BÁO HIỆU MẠNG GSM...................................................................29 2.1 GIAO THỨC BÁO HIỆU ...................................................................................29 2.1.1 Giao diện A ...................................................................................................30 2.1.2 Giao diện Abis...............................................................................................33 2.1.3 Giao diện Air/Um..........................................................................................42 2.2 THỦ TỤC TRONG MẠNG GSM ......................................................................55 2.2.1 Bật tắt máy ở trạm di động............................................................................55 2.2.2 Gán và tách IMSI ..........................................................................................56 2.2.3 Cập nhật vị trí................................................................................................56 a. Cập nhật vị trí trong BSS ...................................................................................56 b. Cập nhật vị trí trong NSS...................................................................................60 2.2.4 Bắt đầu cuộc gọi...........................................................................................61 a. Bắt đầu cuộc gọi trong BSS ...............................................................................61 b. Bắt đầu cuộc gọi trong NSS...............................................................................68 2.2.5 Cuộc gọi từ đầu cuối di động ........................................................................69 a. Đầu cuối di động gọi trong BSS.........................................................................69 b. Đầu cuối di động gọi trong NSS ........................................................................75 2 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Chương 3.......................................................................................................................77 CHUYỂN GIAO MẠNG GSM ..................................................................................77 3.1 CÁC LOẠI CHUYỂN GIAO ..............................................................................78 3.1.1 Trong BTS.....................................................................................................78 3.1.2 Chuyển giao trong cùng BSC........................................................................78 3.1.3 Chuyển giao trong cùng MSC.......................................................................79 3.1.4 Chuyển giao giữa các MSC...........................................................................79 3.1.5 Nhận xét ........................................................................................................80 3.2 CÁC BỘ ĐỊNH THỜI .........................................................................................80 3.3 CHI TIẾT CHUYỂN GIAO ................................................................................83 3.3.1 Trường hợp thành công.................................................................................84 3.3.2 Trường hợp thất bại.......................................................................................87 3.3.3 Quay trở lại BSS củ.......................................................................................88 3.3.4 Giải phóng cuộc gọi ......................................................................................90 3.4 ỨNG DỤNG SDL ĐỂ PHÂN TÍCH CHUYỂN GIAO ......................................91 3.4.1 Giới thiệu về SDL .........................................................................................91 3.4.2 Phân tích các trường hợp chuyển giao ..........................................................92 3.5 THIẾT KẾ MÔ HÌNH .........................................................................................95 3.5.1 Thiết kế mô hình tổng quát ...........................................................................95 3.5.2 Các bản tin.....................................................................................................96 3.6 MÔ TẢ VỀ MÔ HÌNH CPN ...............................................................................99 3.6.1 Khía cạnh của mô hình................................................................................100 3.6.2 Các trang CPN.............................................................................................102 KẾT LUẬN ................................................................................................................114 CÁC THUẬT NGỮ ...................................................................................................115 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................117 3 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM MỞ ĐẦU Ngày nay thông tin liên lạc đả trở thành một nhu cầu quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Ngoài các dịch vụ mà các điện thoại cố định có như: truyền thoại, nhắn tin, Fax, dữ liệu, …vv. Thông tin di động còn cung cấp các tính năng ưu việt của nó ở chất lượng dịch vụ, tính bảo mật thông tin, thiết bị nhỏ gọn, linh hoạt trong việc di chuyển, và các dịch vụ ngày càng đa dạng như truyền hình di động, truyền video chất lượng cao, kết nối mạng internet với việc phát triển hệ thống thông tin di động lên hệ thống thông tin di động băng rộng (3G) ...vv. Cùng với sự phát triển của ngành thông tin liên lạc thì ngành công nghiệp viễn thông đả phát triển mạnh mẻ và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Để đáp ứng nhu cầu của khách hành các nhà cung cấp dịch vụ đả liên tục nâng cấp hệ thống mạng, chất lượng đường truyền, và đa dạng các dịch vụ, đồng thời giảm cước dịch vụ, những điều này đả mang lại cho họ một số lượng thuê bao khổng lồ và tăng nhanh. Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ như viettel, vinaphone, mobilephone đang có nguy cơ cháy số. Một ví dụ: Viettel có 5.555 trạm BTS. Từ đầu năm 2007 đến nay, Viettel đã xây dựng thêm hơn 2.500 trạm phát sóng và đến cuối năm 2007 số trạm BTS của Viettel sẽ là 7.000 trạm. Một công nghệ quan trọng nhất và được sử dụng phổ biến nhất không chỉ ở Việt Nam mà còn các nước trên thế giới là công nghệ GSM (Global System for Mobile communication-Hệ thống thông tin di động toàn cầu). Ở Việt Nam hiện nay những nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn như: Vinaphone, MobiFone, Viettel đều sử dụng công nghệ GSM. Được phát triển từ năm 1982 với kỷ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) một giải pháp tăng dung lượng hệ thống và mã hoá tín hiệu đảm bảo tính an toàn dữ liệu đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ để đáp ứng nhu cầu của hàng triệu khách hàng. Hệ thống GSM sử dụng SIMCARD có kích thước nhỏ gọn để cắm vào máy di động mà chỉ có người này mới có thể sử dụng nó tại một thời điểm như một thiết bị nhận dạng an toàn. GMS là công nghệ truyền sóng kỹ thuật số, cho phép một số người dùng truy nhập vào cùng một kênh tần số mà không bị kẹt bằng cách định vị những khe thời gian duy nhất cho mỗi người dùng trong mỗi kênh. Song song cùng tồn tại và phát triển với công nghệ GSM còn có các công nghệ khác như CDMA (công nghệ đa truy cập theo mã) cũng là một công nghệ tiên tiến và là đối thủ của GSM trong lính vực công nghệ truyền thông di động, hiện ở Việt Nam công nghệ này đang được các nhà khai thác dịch vụ như: S-Fone, Hà Nội Telecom, ETC. Công nghệ GSM đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA. Đây cũng chính là lý do CDMA chưa được phát triển rộng rãi tại Việt Nam. Một chức năng để bảo đảm chất lượng truy cập của một cuộc gọi khi con người sử dụng điện thoại di động di chuyển là chuyển giao cuộc gọi. Chuyển giao được định nghĩa là chuyển một cuộc gọi trong suốt hiện thời từ một kênh tần số này tới một kênh tần số khác trong khi người sử dụng điện thoại di động di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Đây là một chức năng quan trọng nhất và thể hiện được đặc tính khác biệt giữa mạng di động và mạng điện thoại cố định vì thế nghiên cứu thủ tục chuyển giao để xây 4 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM dựng một mô hình chuyển giao trong thực tế để làm cho chức năng này càng tối ưu và hiệu quả là cần thiết. Vì vâỵ “Phân tích chi tiết giao thức chuyển giao và xây dựng mô hình chuyển giao trong mạng GSM” là mục đích chính của luận văn này. Luận văn này bao gồm: • Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng GSM. Mô hình kiến trúc, mô hình mạng và mạng truy cập GSM • Chương 2: Giao thức báo hiệu điều khiển cuộc gọi trong mạng GSM. Thủ tục bật tắt máy di động, việc cập nhật vị trí và các thủ tục điều khiển việc truy cập vào để tiến hành một cuộc gọi. • Chương 3: Chuyển giao trong mạng GSM. Giới thiệu về các loại chuyển giao có thể xảy ra trong mạng. Các giao diện liên quan đến chuyển giao, thủ tục chuyển giao bao gồm các bản tin có liên quan. Phân tích chuyển giao dựa trên ngôn ngữ SDL, dựa trên ngôn ngữ SDL để thiết kế mô hình chuyển giao sử dụng CPN. Luận văn này sẻ tâp trung vào xây dựng mô hình chuyển giao trong mạng GSM. Chúng ta sẻ đi phân tích các giao diện có liên quan tới quá trình chuyển giao và sử dụng một ngôn ngữ thường dùng để phân tích các giao thức trong mạng viễn thông là SDL để đi sâu phân tích chi tiết các quá trình thủ tục để chuyển giao một cuộc gọi. Sau đó là việc xây dựng mô hình CPN của các quá trình chuyển giao trong cùng một MSC. Cuối cùng không thể thiếu là việc đánh giá mô tính hiệu quả của mô hình, những công việc đả làm được, những vấn đề còn thiếu sót và hướng phát triển trong tương lai. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Quốc Tuấn, người đả nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo, cung cấp cho em nhiều tài liệu bổ ích giúp em cũng cố thêm kiến thức và đi tới hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đả dạy dổ cho em nhiều kiến thức cơ bản bổ ích cũng như cho em các kiến thức chuyên môn trong suốt 4 năm học tại trường Đại Học Công Nghệ, cảm ơn các thầy cô giáo đả tạo điều kiện thuận lợi và giúp em hoàn thành khoá luận này. Cuối cùng xin chân thành cảm ơn các bạn học đả nhiệt tình giúp đở tôi trong 4 năm học và giúp tôi hoàn thành khoá luận này. 5 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG GSM Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới ra đời đầu tiên ở châu Âu và có tên là GSM. Ban đầu hệ thống này được gọi là “nhóm đặc trách di động” (Group Special Mobile) theo tên gọi của một nhóm được CEPT cử ra nghiên cứu tiêu chuẩn. Sau đó để tiện cho việc thương mại hoá GSM được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu “Global System for Mobile communication”. 1.1 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC CỦA GSM Hệ thống GSM bao gồm 3 hệ thống cơ bản: hệ thống chuyển mạch SS, hệ thống trạm gốc BSS và trạm di động MS. Mổi hệ thống này chứa một số chức năng khác nhau như: chuyển mạch, quản lý nhận dạng thiết bị, tính cước .vv... tạo nên một hệ thống mạng di động liên kết. Ngoài ra còn có tổng đài cổng GMSC. GMSC làm việc như một tổng đài trung kế để giao diện giữa GSM và các mạng khác. Hình 1: Sơ đồ kiến trúc logic của mạng GSM 1.1.1 Trạm di động MS (Mobile Station) MS là các thuê bao, nó là các thiết bị mà người dùng sử dụng nó để thông tin với nhau. MS có thể là các thiết bị cầm tay nhưđiện thoại di động, máy tính cá nhân, máy Fax ...) MS cung cấp các giao diện với người dùng giúp cho việc khai thác các dịch vụ trong mạng. 6 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Các chức năng chính của MS: • Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên qua đến mạng GSM, FAX ... • Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. • Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di động. 1.1.2 Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identuty Module) Hệ thống GSM sử dụng một khoá nhận dạng thuê bao được cất trong một bộ nhớ nhỏ gọn gọi là SIM-CARD. Thiết bị này được cắm vào máy di động để thông tin trực tiếp vớí VLR và gián tiếp với HLR. 1.1.3 Trạm thu phát cơ sở BTS (Base Transceiver Station) Trạm thu phát cơ sở bao gồm các bộ thu phát và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. BTS kết nối với trạm di động thông qua giao diện Abis. BTS như một cái Modem vô tuyến phức tạp mà trong nó có một bộ phận quan trọng là bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU. TRAU thực hiện việc mã hoá và giãi mã tiếng đặc thù cho hệ thống di động, việc thích ứng tốc độ cho việc truyền dữ liệu. TRAU là một bộ phận của BTS nhưng trên thực tế nó có thể đặt cách xa BTS và có thể đặt ở giữa BSC và MSC. Hình 1.1: Kiến trúc logic của BSS 7 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 1.1.4 Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station controller) BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS. Các lênh này chủ yếu là các lênhj ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. BSC nối với BTS thông qua giao diện vô tuyến còn nối với MSC thông qua giao diện A. Vai trò của nó chủ yếu là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao. Một BTS trung bình có thể quản lý được vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của BTS này. BSC và BTS cũng có thể kết hợp trong một trạm gốc. 1.1.5 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC MSC là trung tâm chuyển mạch chính của mạng GSM. Nhiệm vụ điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các người sử dụng mạng thông tin di động một mặt giao diện với BSC, mặt khác giao diện với mạng ngoài thông qua GMSC. Để thực hiện việc kết nối MSC với mạng ngoài cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn. IWF là một thiết bị thích ứng giao thức và truyền dẫn sẻ làm việc đó. Hình 1.2: Kiến trúc logic của NSS 1.1.6 Bộ ghi định vị thường trú HLR HLR là thiết bị lưu cơ sở dữ liệu của mạng, các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông. HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao, nhưng không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao. HLR thường là một máy tính không có khả năng chuyển mạch mà chỉ có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC. 1.1.7 Bộ ghi định vị tạm trú VLR VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng. Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu tạm thời số liệu của thuê bao dang nằm trong vùng phục vụ của 8 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí hiện thời của thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Nó giống như chức năng của bộ nhớ Catche. 1.1.8 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR EIR có chức năng quản lý thiết bị di động, là nơi lưu giữ tất cả dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối với MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị, một thiết bị không được phép sẻ bị cấm. 1.1.9 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC AUC quản lý việc hoạt động đăng ký thuê bao như nhập hay xoá thêu bao ra khỏi mạng. Nó còn có một nhiệm vụ quan trọng khác nữa là tính cước cuộc gọi. Cước phí phải được tính và gữi tới thuê bao. AUC quản lý thuê bao thông qua một khoá nhận dạng bí mật duy nhất được lưu trong HLR, AUC cũng được giữ vĩnh cữu trong bộ nhớ SIM-CARD. 1.1.10 Điều khiển quản lý và bảo dưỡng OMC OMC cho phép các nhà khai thác mạng theo dõi và kiểm tra các hành vi trong mạng như: tải của hệ thống, số lượng chuyển giao giữa các cell …vv. Nhờ vậy mà họ có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xữ lý sự cố. Khai thác và bão dưỡng cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những sự cố xuất hiện, nâng cấp mạng về dung lượng tăng vùng phủ sóng, định vị sữa chữa các sự cố hõng hóc …vv. Việc kiểm tra có thể nhờ một thiết bị có khả năng phát hiện một sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra nhờ tính toán. Việc thay đổi mạng có thể thực hiện “mềm” qua báo hiệu hay thực hiện cứng đòi hỏi can thiệp trực tiếp tại hiện trường. Việc khai thác có thể được thực hiện bằng máy tính đặt trong một trạm. 1.1.11 Các giao diện trong mạng GSM Hình 1.3: Các giao diện trong mạng GSM 9 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Giới thiệu các giao diện trong mạng GSM: BS đến MSC: Là giao diện A để đảm bảo báo hiệu và lưu lượng cả số liệu lẩn tiếng. Chi tiết về giao diện sẻ được đề cập trong chương 3 BST đến BSC: Là giao diện A-bis. Là một kết nối cố định bằng cáp thông thường băng thông khoảng 2Mbps. Chi tiết về giao diện sẻ được trình bày trong chương 3. MSC với PSTN: Là giao diện Ai. Giao diện này được định nghĩa như giao diênj tương tự sử dụng hoặc báo hiệu đa tần hai tông (DTMF) hay báo hiệu đa tần (MF). MSC với VLR: Là giao diện B. MSC với HLR: Là giao diện C. HLR với VLR: Là giao diện D. Đây là giao diện báo hiệu giữa HLR và VLR được xây dựng trên cơ sở báo hiệu số 7. MSC với ISDN: Là giao diện Di. Đây là giao diện số với mạng ISDN. MSC với MSC: Là giao diện E. Đây là giao diện lưu lượng và báo hiệu giữa các tổng đài của mạng di động. MSC với EIR: Là giao diện F. VLR với VLR: Là giao diện G. Nó được sử dụng khi cần thông tin trao đổi giữa các VLR. HLR với AUC: Là giao diện H. DMH với MSC: Là giao diện I. Đây là giao diện giữa bộ xử lý bản tin dữ liệu với MSC. MSC với IWF: Là giao diện F. MSC với PLMN: Là giao diện Mi. Là giao diện với các mạng thông tin di động khác. MSC với OS: Là giao diện O. Đây là giao diện với các hệ thống khác. MSC với PSPDN: Là giao diện Pi. Đây là giao diện giữa MSC với mạng chuyển mạch gói. Bộ thích ứng đầu cuối TA với thiết bị đầu cuối TE: Là giao diện R. Là giao diện đặc thù cho từng loại đầu cuối được kết nối với MS. ISDN với TE: Là giao diện S. Nó được định nghĩa ở hệ thống ISDN. BS với MS: Là giao diện Um. Đây là giao diện môi trường vô tuyến. PSTN với DCE: Là giao diện W. Nó được định nghĩa ở hệ thống PSTN. MSC với AUX: Là giao diện X. 10 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Chương sau ta sẻ đi chi tiết về các giao diện có liên quan tới quá trình chuyển giao và đây cũng là các giao diện hoạt động chính trong mạng GSM. 1.2 MÔ HÌNH MẠNG GSM Mạng GSM là mạng viễn thông phân cấp được nối theo mô hình cây. Các phần tử cùng cấp là ngang hàng (hình 1.4). Có thể chia mạng GSM thành 3 cấp tương ứng: Hình 1.4: Mô hình mạng phân lớp GSM Tổng đài liên tỉnh: Cấp liên tỉnh được hiểu là cấp cao nhất trong mạng GSM. Tương đương với cấp liên tỉnh là hệ thống NSS mà đặc trưng là trung tâm chuyển mạch MSC. Một MSC có thể quản lý nhiều BSC và được phân nhánh theo hình cây. Tổng đài nội hạt: Hệ thống BSS tương đương với một tổng đài nội hạt. Trong một BSS một BSC quản lý nhiều BTS. Giữa BTS và BSC có thể nối theo hình cây hoặc vòng sử dụng. Một BSC tương đương tổng đài host và các BTS tương đương với tổng đài vệ tinh. 11 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Hình 1.5: Kiều nối hình cây và vòng trong BSS Tổng đài tập trung thuê bao: Là các thuê bao di động, chúng có thể di chuyển từ cell này sang cell khác và vì vậy một kết nối từ tổng đài nội hạt tới các tổng đài vệ tinh là không cô định, kết nối này là kết nối vô tuyến động. 1.3 MẠNG TRUY CẬP GSM Mạng GSM sử dụng đa truy cập phân chia theo thời gian kết hợp phân chia theo tần số cho phép tận dụng tối đa băng tần được cấp và tăng dụng lượng hệ thống. Xu hướng là tiết kiệm băng thông, thời gian truy cập ngắn và độ trể là nhỏ nhất. GSM băng tần 900MHz sử dụng phương pháp truy cập TDMA 8 kênh với độ rộng băng tần sóng mang 200kHz và sử dụng truyền dẫn có liên kết để một MS có thể truy cập vào mạng. 1.3.1 Các kênh vật lý GSM sử dụng phối hợp giữa đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Phân chia theo tần số: Phân bố tần số trong GSM được quy định nằm trong khoảng 890 - 960MHz với sự bố trí các kênh tần số như sau: • Dải tần số tuyến lên (từ MS đến BTS) 25MHz: 890 – 915MHz fL = 890MHz + (0,2MHz) x n trong đó n = 0,1,...,124 • Dải tần đường xuống (từ BTS đến MS) 25MHz: 935 – 960 MHz fU = fL +45MHz Như vậy có 125 kênh được đánh số tứ 0 -> 124 riêng kênh 0 dành cho khoảng bảo vệ. Hệ thống GSM mở rộng (E-GSM) có băng tần rộng thêm 10MHz ở cả hai phía nhờ vậy số kênh tăng thêm 50 kênh. Phân bố tần số trong dải này như sau: • fL = 890MHz +(0,2MHz) x n; n =0,1,...124 và fL = 890MHz +(0,2MHz) x (n – 1024); n=974,975,...,1023 • fU = fL + 45MHz 12 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Như vậy các kênh bổ sung được đánh số từ 974->1023 được sử dụng kênh thấp nhất 974 để làm khoảng bảo vệ. Đối với hệ thống DCS-1800 băng tần công tác 1710-1880 MHz phân bố tần số như sau: • fL = 1710MHz + (0,2MHz) x (b-511); n= 512,513,...,885 • fU = fL + 95MHz Như vậy có 375 kênh được đánh số từ 412 -> 884 Trong thông tin di động sử dụng phương pháp lặp lại tần số để tránh sự nhiểu các kênh lân cân và tăng dung lượng hệ thống. Một phương pháp đặc biệt nữa để tăng dung lượng hệ thống là kết hợp phân chia theo thời gian và phân chia theo tần số. Truyền dẩn 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 có độ rộng là 15/26ms~ 577us ở trong một kênh tần số có độ rộng 200kHz nói trên. Hình 1.6: Đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA Mổi kênh tần số cho phép tổ chức các khung truy cập theo thời gian có độ dài 4,62ms, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ 0->7, mỗi khe gọi là một timeslots (TS0, TS1, ... , TS7). 13 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Hình 1.7a: Tổ chức một khung TDMA Tất cả các khung TDMA ở tất cả các kênh tần số ở cả đường lên lẩn đường xuống đều được đồng bộ. Tuy nhiên để MS sử dụng cùng một khe thời gian cho cả đường lên lẩn đường xuống mà không phải thu phát đồng thời thì khởi đầu của khung TDMA đường lên trể 3 timeslots. Hình 1.7b: Phân khung TDMA Cấu trúc một cụm (Burst): Một cụm là một khe thời gian có độ dài 577us. Trong hệ thống GSM tồn tại 4 dạng cụm khác nhau. Nội dung các cụm (hình 1.8) như sau: - Cụm bình thường (NB: Normal Burst): cụm này được sử dụng để mang thông tin về các kênh lưu lượng và các kênh kiểm tra. Đối với kênh lưa lượng TCH cụm này chứa 144 bit được mã mật mã, 2 bit cờ lấy cắp (chỉ cho kênh TCH) trong 58 bit thông tin, 2 cặp 3 bit đuôi 000 (tail bíts) để đảm bảo rằng bộ giải mã viterbi bắt đầu và kết thúc trong một trạng thái đả biết, 26 bit hướng dẫn (phản ánh tương đối đúng tình trạng truyền sóng cho máy thu từ đó bộ cân bằng viterbi có thể xây dựng mô hình kênh ở các thời điểm để loại bỏ ảnh hưởng của nhiểu pha định đa tia) và khoảng bảo vệ 8,25 bit tránh ảnh hưởng của kênh lân cận. Tổng cộng có 156,25 bits. - Cụm hiệu chỉnh tần số (FB: Frequency Correction Bits): Cụm này 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 +67,7kHz trên tần số định danh, 2 cặp 3 bit đuôi 000 chuổi bít không này sau khi sau khi điều chế GMSK cho một sóng hình sin hoàn toàn quanh tần số 68kHz cao hơn tần số sóng mang RF, 8.25 bit dùng cho khoảng bảo vệ. - Cụm đồng bộ (SB: Synchronisation Burst): cụm này dùng để đồng bộ thời gian cho trạm di động. Cụm chứa 2*39 bit thông tin được mật mã hóa để mang thông tin chi tiết về cấu trúc khung (về số khung (FN)) của khung TDMA và BSIC (Base Station Identity Code), 2 căp 3 bit đuôi 000 để đảm báo bắt đầu và kết thúc của khung mang thông tin cấn thiết, burst đồng bộ là burst đầu tiên mà MS giải điều chế vì lý do này mà chuổi hướng dẩn kéo dài 14 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 64 bit và nó cũng cho phép lớn hơn độ rộng trể đa đường, thêm khoảng bảo vệ 8,25 bit. - Cụm truy nhập (AB: Access Burst): cụm này được sử dụng bởi MS để truy nhập ngẫu nhiên khởi tạo mạng và chuyển giao. Nó là burst đầu tiên của đường lên mà BTS sẻ giải điều chế từ một MS đặc thù. Cùng với burst đồng bộcụm chứa 41 bit hướng dẫn để kéo dài thoải mái quá trình giải điều chế, cụm chứa 36 bit thông tin, 8 bit đuôi đầu, 3 bit đuôi cuối và khoảng bảo vệ 68,25 bit để bù trể cho sự lan truyền giữa MS và BTS và cũng để phù hợp với cấu trúc một cụm cho một khe thời gian. Hình 1.8: Khuôn dạng các burst trong GSM - Cụm giả (DB: Dummy Burst): Cụm giả được phát đi từ BTS trong một số trường hợp để lấp kín những khe thời gian không hoạt động trên kênh BCCH. Cụm không mang thông tin và có cấu trúc giống như NB nhưng các bít mật mã được thay thế bằng các bit hỗn hợp. Tổ chức khung đa khung siêu khung: Mổi khung TDMA cho một sóng mang. Một khung có 8 khe thời gian được đánh số từ 0 đến 7. Nguyên lý mật mã hoá trong hệ thống GSM dùng một thông số là số khung TDMA. Vì vậy trạm thu phát gốc phải đánh số các khung ở dạng chu trình (không thể đánh số khung đến vô tận). Số này còn được sử dụng trong thuật toán nhảy tần. Số được chọn là 2715648 tương ứng 3 giờ 28 phút 53 giây 760 ms. Cấu trúc này được gọi là siêu siêu khung. Một siêu siêu khung được chia thành 2048 siêu khung với khoảng thời gian 6 phút 12 giây. Siêu khung được chia thành các đa khung. Có hai loại đa khung: 15 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Đa khung 26 khung, đa khung này sử dụng cho kênh TCH, SACCH, FACCH và 51 đa khung hợp thành một siêu khung. Ở đa khung điều khiển 51 khung để đảm bảo bất kỳ thuê bao GSM nào (ở tế bào phục vụ hay lân cận) có thể nhận được SCH và FCCH từ BCH mà không phụ thuộc vào việc nó đang dùng khung nào và khe thời gian nào. Đa khung này sử dụng cho các kênh báo hiệu logic BCCH, CCCH, FCCH và SACCH. (26 đa khung thành 1 siêu khung). Cấu trúc khung cho kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/F) chiếm dữ một khe thời gian trong mỗi khung TDMA (hình 1.9a). 12 khe trong mỗi khung TDMA đầu tiên của đa khung 26 được sử dụng cho kênh TCH/F từ khung 0 tới 11. khe thời gian tiếp (khe 12 trong đa khung 26) theo không được sử dụng cho truyền dẫn, là khoảng thời gian rổi khe “idle”. 12 khe tiếp theo trong mỗi khung TDMA của đa khung được sử dụng cho TCH/F. Khe thời gian còn lại của đa khung 26 được sử dụng cho kênh SACCH. Hình 1.9a có thể được ứng dụng cho cả đường lên và đường xuống. Chú ý cấu trúc đa khung thể hiện trong hình 1.9a chỉ gắn cho một kênh TCH/F chiếm giữ những khe thời gian được đánh số lẻ. Trên khe thời gian được đánh số chẵn và khe thời gian 0 là vị trí của khe thời gian rỗi và khe dành cho kênh SACCH được trao đổi. Chú ý rằng hình 2.9a chỉ thể hiện những khe thời gian từ cùng kênh vật lý, các khe thời gian từ 7 kênh vật lý còn lại đả bị bỏ quên. Hình 1.10b thể hiện ghép 2 kênh lưu lượng bán tốc TCH1&TCH0 lên các khung TDMA của đa khung 26, khung thứ 13 và 16 dành cho kênh SACCH0 và SACCH1. Hình 1.9a: Cấu trúc khung cho kênh lưu lượng toàn tốc TCH/F trên khe thời gian 1 16 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Cấu trúc khung cho kênh điều khiển đặt trên khe thời gian TS0 thể hiện trên hình 1.9b. Trong trường hợp đa khung 51 khung với thời gian 235ms. Toàn bộ các kênh ngoại trừ kênh TCH đều sử dụng cấu trúc đa khung 51 khung. Mỗi đa khung điều khiển BCCH/CCCH có độ dài là 235.4 ms(gồm 51 khung TDMA) được mapping trên TS0 của sóng mang có chứa kênh BCCH/CCCH (không phải sóng mang nào cũng có chứa tổ hợp kênh này), ở đa khung 51 này có độ dài 235.4 ms sẽ có 5 TS dùng để phát thông tin trên kênh SCH, cụ thể TS0 của khung thứ 1 (bắt đầu tính từ khung thứ 0 đến khung thứ 50), TS0 của khung thứ 11, TS0 của khung thứ 21, 31, 41. Tức là cứ sau 10 khung (10 x 4.615 ms) thì thông tin trên SCH (có chứa số hiệu khung) lại được phát 1lần. Kênh logic FACCH được dùng khi có yêu cầu chuyển giao khi đang hội thoại, nó chiếm 20 ms trên chính kênh TCH được cấp cho MS và vì vậy nó được gọi là "stealing". Thời gian tối đa phải chờ của MS để thu được số khung TDMA sẽ là khoảng thời gian từ sau TS0 cuối cùng trong đa khung 51 của kênh vật lý BCCH (TS0 trên sóng mang BCCH của trạm BS) dành cho kênh logic SCH, cho tới hết TS0 dành cho SCH đầu tiên của đa khung 51 của kênh vật lý BCCH tiếp theo. Do yêu cầu điều khiển chuyển giao khi đang diễn ra đàm thoại cần phải nhanh mà kênh SACCH thì lại có tốc độ quá chậm (chỉ có 1 lần trong đa khung 26 của kênh TCH, chỉ đủ để: • Đường xuống, BS gửi yêu cầu điều khiển công suất và time alignment cho MS; • Đường lên, MS gửi các náo cáo đo lường công suất cho BS phục vụ điều khiển HO và tính toán điều khiển công suất/time alignment). Do đó người ta "lấy cắp" kênh TCH 2 chiều đang đàm thoại để truyền tin tức điều khiển HO (vì lúc này thì chất lượng thoại lúc đó cũng đã quá kém rồi, có để kênh TCH thì cũng không truyền thoại tiếp nữa). Việc lấy cắp được diễn ra như sau: • Ngắt không truyền tin tức cuộc gọi trên kênh logic TCH; • Truyền tín hiệu điều khiển chuyển giao trên kênh đó. Việc phân biệt khi nào kênh TCH là TCH, khi nào là FACCH thực hiện nhờ cờ lấy cắp là 1 bít nằm sau đoạn 56 bít mã thông tin thứ nhất trong burst TCH (nằm ngay trước 26 bít training) và 1 bít nằm đầu ngay trước đoạn 56 bít mã thông tin thứ hai trong burst TCH (ngay sau 26 bit training). Bít cờ ăn cắp này là 1 thì kênh TCH lúc đó đang dùng cho FACCH còn là 0 thì đang là TCH (đang truyền các dữ liệu thoại của cuộc đàm thoại). 17 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Hình 1.9b: Cấu trúc khung cho một nhóm kênh điều khiển trên TS0 1.3.2 Các kênh logic Trong GSM có hai loại kênh logic chính là kênh lưu lượng TCH và kênh điều khiển CCH. Hình 1.10a: Sơ đồ hệ thồng các kênh logic trong mạng GSM 18 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM Kênh lưu lượng (TCH): Các kênh lưu lượng được phân thành 2 loại: toàn tốc (13kbps) hay bán tốc (6,5kbps). Ở chế độ toàn tốc người dùng chiếm hoàn toàn một khe thời gian ở các khung liên tiếp, trong khi ở bán tốc khe được phân cách khung. TCH không được dùng ở TS0 (khe này dành cho điều khiển). 26 khung liên tiếp tạo nên đa khung (trong đó khung thứ 13 luôn chứa dữ liệu điều khiển liên kết chậm, khung thứ 26 là khung rỗi ở chế độ toàn tốc và cũng chứa điều khiển liên tiếp chậm ở chế độ bán tốc). Hình 1.10b: Tổ chức hai kênh lưu lượng bán tốc TCH0/H và TCH1/H lên đa khung 26 Tiếng nói: tiếng nói được số hoá tại tốc độ 13kbps, thêm mã kênh sẻ có tốc độ 22,8kbps. Với bán tốc tốc độ số hoá 6,5kbps khi bổ sung thêm mã kênh cho tốc độ 11,4kbps. Dữ liệu toàn tốc: 12kbps (cho tốc độ luồng cơ sở 9,6kbps), 6kbps (cho tốc độ luồng cơ sở 4,8kbps), 3,6kbps (cho tốc độ luồng cơ sở bé hơn hoặc bằng 2,4kbps). Các kênh điều khiển: Có 3 loại kênh điều khiển chính: Kênh quảng bá BCH, kênh điều khiển chung CCCH, kênh điểu khiển riêng DCCH. Kênh quảng bá BCH: có 3 loại kênh tách biệt • Các kênh hiệu chỉnh tần số FCCH: Các kênh này mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho các trạm MS. Chứa ở khung 0 và lặp lại sau 10 khung nhằm đồng bộ tần số nội của máy di động MS với tần số trạm gốc BTS. • Kênh điểu khiển quảng bá BCCH: Chỉ sử dụng ở đường xuống. Kênh này hát quảng bá các thông tin về tế bào (Cell), mạng và tình trạng hiện tại của tế bào (cấu trúc điều khiển, các kênh lưu lượng còn rỗi, đang sử dụng hoặc nghẽn). Từ khung thứ 2 đến khung thứ 5 trong một đa khung (4/51 khung) chứa dữ liệu BCCH trên khe TS0. • Kênh đồng bộ SCH: Kênh này mang thông tin để đồng bộ khung cho trạm di động MS và nhận dạng BTS, nó chỉ sử dụng cho đường xuống. Khung SCH chứa tại các khung ngay sau FCCH cho phép máy di động xác định 19 http://www.ebook.edu.vn
Phân tích chuyển giao trong mạng GSM trạm cơ sở phục vụ và đồng bộ khung với trạm gốc. Số khung FN từ 0- >2715647 được gửi cùng mã xác định trạm gốc (BSIC) trong dữ liệu SCH. Vì máy di động có thể ở xa BS đến 30Km nên nó thường phải hiệu chỉnh thời gian để đồng bộ đồng hồ với trạm gốc (tính đến thời gian truyền sóng). BS phát lệnh bổ sung thời gian đến MS thông qua SCH. Hình 1.10c: Tổ chức các kênh điều khiển quảng bá lên các khe thời gian Các kênh điều khiển dùng chung CCCH: Có 3 loại • Kênh tìm gọi PCH: Cung cấp tin nhắn từ BTS đến MS để tìm gọi MS, PCH phát IMSI của thuê bao và yêu cầu đáp lại trên tuyến lên RACH. Ngoài ra PCH cũng có thể được dùng cung cấp các bản tin quảng bá tế bào dạng ASCII. • Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH: Kênh này tuyến lên để máy di động MS đáp lại lời tìm gọi hoặc để MS đề nghị khởi phát cuộc gọi (cung cấp một kênh). RACH dùng sơ đồ truy cập ALOHA và có thể chiếm tất cả các khung nằm ở TS0. Khi thiết lập dịch vụ BS phải trả lời RACH bằng cách phân kênh và dành một kênh điều khiển dành riêng SDCCH để báo hiệu cuộc gọi. Kết nối này (số hiệu kênh được phân) được thông báo qua AGCH. • Kênh trợ giúp truy cập AGCH: Hoạt động trên tuyến xuống, dữ liệu được mang chỉ thị cho MS chuyển sang một kênh vật lý xác định (một khe trong 20 http://www.ebook.edu.vn