Bài giảng môn Kỹ thuật viễn thông - Tổng quan hệ thống gsm

TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Lecturer: M.Eng. P.T.A. Quang Nội dung  Giới thiệu thông tin di động và GSM  Cấu trúc hệ thống GSM  Kênh truyền  Sơ đồ khối thu phát và điều chế trong GSM  Quy hoạch tần số Giới thiệu  Lịch sử:  1G: hệ thống thông tin tương tự, dịch vụ hạn chế và không cho phép roaming  2G (GSM): hệ thống thông tin số tăng cường băng thông và chất lượng dịch vụ. Nhu cầu Internet  2.5G (GPRS). Ngoài ra còn có chức năng định vị, tin nhắn, các hệ thống báo hiệu  3G: cải tiến công nghệ vô tuyến nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ Giới thiệu 11/12/2012 etienne.sicard@insa-toulouse.fr 4 1997 500 1000 2000 1000 2003 1500 400 2005 2000 2500 2007 Global mobile-phone subscribers hit 2B (Oct 05) More mobiles than fixed phones in France (Oct 01) 3000 Subscribers (Millions) UMTS 100 Million 3500 UMTS 250 Million Global mobile-phone subscribers hit 3B (Oct 08) 2008 Cấu trúc hệ thống GSM  Mạng GSM được chia làm 2 hệ thống:  Hệ thống chuyển mạch (switching system-SS)  Hệ thống trạm gốc (base station system-BSS)  SS thực hiện việc xử lí cuộc gọi và các chức năng liên quan đến thuê bao: Mobile services switching center (MSC) – trung tâm chuyển mạch di động Home Location Register (HLR) – bộ ghi vị trí thường trú Visitor Location Register (VLR) – bộ ghi vị trí tạm trú Authentication Center (AUC) – trung tâm nhận thực Equipment Identity Register (EIR) – bộ ghi nhận dạng thiết bị  BSS thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn vô tuyến: Base Station Controller (BSC) Base Transceiver Station (BTS) Cấu trúc hệ thống GSM Các thành phần SS và BSS  SS gồm:  MSC: thực hiện chức năng chuyển mạch  HLR: trung tâm dữ liệu lưu trữ toàn bộ thông tin của các thuê bao trong mạng  VLR: chứa thông tin của các thuê bao trong vùng phục vụ của MSC VLR chứa 1 phần thông tin của HLR  AUC: cấp phép cho các thuê bao sử dụng mạng, kết nối với HLR  EIR: thông tin thiết bị  chặn cuộc gọi từ các thiết bị mất cắp  BSS gồm  BSC: quản lý chức năng thông tin vô tuyến trong mạng GSM: handover, cấp phát tần số, thông tin cấu hình cell  BTS: điều khiển truyền thông vô tuyến với các MS. BSC điều khiển 1 nhóm BTS Trung tâm giám sát mạng (NMC)  Operation and Maintenance center (OMC): là trung tâm giám sát kết nối với MSCs và BSCs qua mạng X.25 hoặc TCP/IP  Network Management Center (NMC): NMC tập trung giám sát toàn bộ hệ thống trong thời gian dài, trong khi OMC tập trung giám sát thời gian ngắn và địa phương GSM-TDMA/FDMA Cấu trúc burst (4 loại)  Normal burst: truyền thông tin 3 3 57 1 1 26 57 8.25 TB CD S TS S CD TB GP TB (tail bits): đánh dấu bắt đầu và kết thúc của burst gồm các bit 0 CD (coded data): thông tin người dùng S (stealing flag): cờ chiếm, báo hiệu burst bị FACCH chiếm TS (training sequence): chuỗi huấn luyện, dùng cho đầu thu ước lượng kênh truyền GP (guard period): khoảng bảo vệ giữa 2 burst liên tiếp • Access burst: khi MS truy cập kênh lần đầu 8 3 41 36 68.25 TB SS CD TB GP SS (synchronisation sequence): chuỗi bit huấn luyện dài Cấu trúc burst  Frequency Correction Burst: tất cả các bit =0 • Synchronization Burst: burst đầu tiên mà MS giải điều chế  TS dài 64 bit 3 3 142 8.25 TB Fixed bits TB GP 3 3 64 39 8.25 TB CD TS CD TB GP 39 OR 26 (51 Frames) multiframes 0 1 2 3 2044 2045 2046 2047 0 1 2 3 47 48 49 50 0 1 24 25 T0 T1 .. T1 1 S T1 2 .. T2 4 I T0 T1 T2 T3 . .. .. T4 8 T4 9 T5 0 1 superframe = 51 (26 Frames) multiframes 1 hyperframe = 2048 superframes = 2715648 TDMA frames 1 trafic multiframe = 26TDMA frames 1 control multiframe = 51TDMA frames . . 235.4 ms 26 * 51 = 1326 TDMA Frames 6.12 s 0 1 6 7 ... TDMA Frame burst slot 577 µs 4.615 ms 120 ms 3 h 28 min 53.76 s Cấu trúc khung Kênh truyền  Tần số  Các vấn đề truyền sóng vô tuyến  Giải pháp  Kênh vật lí và kênh logic  Kênh lưu lượng và kênh báo hiệu Tần số Các vấn đề truyền dẫn  Suy hao: phụ thuộc vào khoảng cách giữa Tx và Rx ngay cả khi không có vật cản.  Shadowing: xảy ra khi có vật cản giữa BTS và MS làm giảm tín hiệu thu. Khi MS di động, mức tín hiệu sẽ dao động phụ thuộc vào các vật cản giữa MS và BTS Các vấn đề truyền dẫn  Carrier to interference C/I: xảy ra do tái sử dụng tần số. (can nhiễu đồng kênh)  Carrier to adjacent C/A: xảy ra do các sóng mang kề cận tác động lên nhau (can nhiễu cận kênh) Các vấn đề truyền dẫn  Suy hao đa đường (multipath fading): xảy ra khi có nhiều hơn 1 đường truyền phát giữa MS và BTS  có nhiều hơn 1 tín hiệu tại đầu thu  Rayleigh fading  Time dispersion (tán xạ thời gian) Các vấn đề truyền dẫn  Rayliegh fading: xảy ra khi vật cản nằm gần đầu thu. Tín hiệu thu là tổng của nhiều tín hiệu khác nhau về pha và biên độ. Các vấn đề truyền dẫn  Time dispersion:  tín hiệu phản xạ đến từ vật thể nằm xa anten thu.  Gây ra ISI Các vấn đề truyền dẫn  Time alignment:  MS được cấp 1 timeslot để truyền thông tin đến BTS. Nếu lượng thông tin đó tràn sang slot kế cận  can nhiễu Giải pháp  Quy hoạch tế bào: giảm suy hao, shadowing, can nhiễu đồng kênh và cận kênh  Mã hóa kênh: phát hiện và sửa các lỗi trong chuỗi bit thu bằng cách thêm vào một số bit trong bản tin.  Interleaving: các bit lỗi thường xảy ra theo 1 chuỗi. Mã hóa kênh thường chỉ phát hiện và sửa được các lỗi đơn và chuỗi ngắn  các bit từ các bản tin khác nhau được xếp xen kẽ A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C 1 C 2 C 3 C 4 D 1 D 2 D 3 D 4 A1 B1 C 1 D 1 A2 B2 C 2 D 2 A3 B3 C 3 D 3 A4 B4 C 4 D 4 Giải pháp  Antenna diversity: tận dụng nhiều anten thu để tăng tín hiệu đầu thu. Giải pháp  Cân bằng thích nghi (adaptive equalization):  MS và BTS chứa 8 chuỗi huấn luyện cho trước  BTS thông báo chuỗi huấn luyện nào được chọn cho MS  Khi truyền phát, MS và BTS chèn chuỗi huấn luyện vào thông tin  Giả sử rằng kênh truyền tác động giống nhau lên mọi bit  Bộ thu sẽ dự đoán kênh truyền và xử lí thông tin thu được Giải pháp  Nhảy tần (frequency hopping): để tránh rayleigh fading vì rayleigh fading phụ thuộc tần số.  Có 63 kiểu nhảy tần giả ngẫu nhiên  2 loại nhảy tần:  Baseband hopping: chuyển đổi giữa các tần số trên các thiết bị khác nhau trong 1 cell  Synthesizer hopping: chuyển đổi giữa các tần số trên cùng 1 thiết bị trong 1 cell Giải pháp  Timing advance: giải quyết time alignment. MS có thể bắt đầu truyền phát trước hoặc sau 1 khoảng thời gian (tính bằng bit). Tối đa 63 bits tương đương bán kính 35km. Các loại kênh • Kênh vật lí = tần số (+nhảy tần) + timeslot • Kênh logic = thông tin + kênh vật lí •Có 2 loại kênh logic: • Kênh lưu lượng (traffic channels) • Kênh báo hiệu (signalling channels) Kênh logic Kênh logic Kênh logic Kênh lưu lượng  Kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/FS): truyền tiếng nói với tốc độ 13 Kbps. Chiếm toàn bộ kênh vật lí (1 ts trên 1 sóng mang)  Kênh lưu lượng bán tốc (TCH/HS): truyền tiếng nói với tốc độ gần 7Kbps. Mỗi kênh vật lí có thể hỗ trợ 2 TCH/HS Kênh báo hiệu  Các kênh quảng bá (BCH):  Kênh sửa tần (FCCH)  Kênh đồng bộ (SCH)  Kênh điều khiển quảng bá (BCCH)  Kênh quảng bá tế bào (CBCH)  Các kênh điều khiển chung (CCCH):  Kênh tìm gọi (PCH)  Kênh cho phép truy nhập (AGCH)  Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH)  Các kênh điều khiển dành riêng (DCCH):  Kênh điều khiển dành riêng độc lập (SDCCH)  Các kênh điều khiển liên kết:  Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH)  Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH) Kênh quảng bá (BCH)  Chỉ phát trên đường xuống  Kênh sửa tần (FCCH): tất cả bit thông tin bằng 0  sóng sin thuần túy. Được MS sử dụng để sửa nguồn tần số nội và khôi phục pha sóng mang phát của BTS  Kênh đồng bộ (SCH): chứa thông tin về vị trí của nó trong cấu trúc khung GSM  MS có thể đồng bộ các bộ đếm khung với BTS. Thông tin SCH được phát bằng các synchronisation burst (cụm đồng bộ)  Kênh điều khiển quảng bá (BCCH): phát quảng bá thông tin điều khiển cho mọi MS trong tế bào  Kênh quảng bá tế bào (CBCH): phát các bản tin chữ-số ngắn cho các MS trong tế bào Kênh điều khiển chung (CCCH)  Kênh tìm gọi (PCH): để tìm gọi MS cụ thể khi có cuộc gọi đến  Kênh cho phép truy nhập (AGCH): dùng chung tài nguyên với PCH. Cấp phép cho MS truy nhập mạng  Kênh truy nhập ngẫu nhiên(RACH): MS truy nhập ban đầu vào mạng. MS phát access burst trên RACH Kênh điều khiển dành riêng (DCCH)  kênh điều khiển dành riêng độc lập (SDCCH): thông tin báo hiệu khi MS không có cuộc gọi. Kênh này tồn tại độc lập với TCH và dành riêng cho 1 MS cụ thể  Kênh điều khiển liên kết:  Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH): kênh này xuất hiện khi đường dành riêng giữa MS và BTS là tích cực  Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH): đánh cắp khe thời gian từ kênh lưu lượng dùng cho Handover Sơ đồ khối thu phát và điều chế  Sơ đồ khối thu phát  Điều chế GMSK Sơ đồ thu phát GSM Sơ đồ bộ mã hóa Điều chế trong GSM  Sử dụng điều chế GMSK  Trước khi điều chế MSK, tín hiệu sẽ được đưa qua bộ lọc thông thấp Gaussian tiền điều chế Đáp ứng xung của bộ lọc thông thấp Gaussian Điều chế trong GSM  Tăng ISI nhưng nén được phổ nhiều hơn • Sơ đồ điều chế Quy hoạch tần số  Tái sử dụng tần số  Nhiễu đồng kênh  Sectoring Tái sử dụng tần số  Khái niệm:  Số kênh tần số là hữu hạn  Tái sử dụng tần số là việc cấp phát cùng một nhóm tần số vô tuyến tại các vị trí địa lý khác nhau trong mạng mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng kết nối tại giao diện vô tuyến do nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận gây nên. Tái sử dụng tần số Trong mạng GSM, mỗi trạm BTS được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến. Các trạm thu phát gốc BTS lân cận được cấp phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với các kênh của BTS liền kề. Khái niệm Các cell cùng tên được cấp phát cùng một nhóm tần số vô tuyến. G B F E A C D A C B G F D E D B F E C A G Một cụm - cluster có kích cỡ K cell, được lăp lại tại các vị trí địa lý khác nhau trong toàn bộ vùng phủ sóng. Tái sử dụng tần số  Số cell trong 1 cluster được xác định bằng 22 jijiK  G B F E A C D A C B G F D E D B F E C A G Với i, j là khoảng cách (tính theo cell) giữa 2 cell đồng kênh thuộc 2 cluster lân cận Ví dụ: K=7 (i=1, j=2) như hình bên A  A = AC+CE+EA AC=i CE+EA=j i j Khoảng cách sử dụng lại tần số D D = khoảng cách giữa hai cell đồng kênh RKD jijiRjRjRiRD 3 )(3) 2 3 ()35.03( 222222   Gọi Q là tỉ số tái sử dụng đồng kênh KRDQ 3/  Nhiễu đồng kênh  Xác định bằng tín hiệu trên nhiễu gây ra bởi các cell đồng kênh Xét lớp lân cận đầu tiên  có 6 cell đồng kênh. S/I tại biên của cell (worst case) , với n là bậc suy hao n=4 Sectoring  Sử dụng anten định hướng để giảm can nhiễu đồng kênh và tăng dung lượng  Mỗi cell được chia thành 3 120-sector hoặc 6 60-sector  Các kênh của mỗi sector phải khác nhau  intra-cell handoff Sectoring Tổng kết  Giới thiệu lịch sử hình thành của mạng GSM  Mô tả cấu trúc hệ thống GSM  Cơ chế truy nhập – cấu trúc khung  Giới thiệu chức năng của các kênh báo hiệu  Các vấn đề trong truyền dẫn vô tuyến và giải pháp  Giới thiệu tổng quát sơ đồ khối thu phát và điều chế trong GSM  Tính toán quy hoạch tần số