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 [email protected] 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


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)

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


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)


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)


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.


Time dispersion:

tín hiệu phản xạ đến từ vật thể nằm xa anten thu.

Gây ra ISI


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 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


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.


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.


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

tỔng quan hỆ thỐng gsm -...

Documents