Tổng quan về mạng thông tin di động GSM, nghiên cứu giao diện vô tuyến của nó

A ẵ A ẵ R D6 T R D6 T R D6 T R D6 T R D7 T R D7 T R D7 T R D7 T R A0 T R A0 T R A0 T 51 R A0 T ắ ắ ắ ắ ắ ắ ắ ắ Đường lên Hình 3.10. Sắp xếp các kênh logic ở kênh vật lý mang BCCH 2.4. Đo và nhảy tần. * Đo: Cách đo: Trong quá trình của 1 cuộc gọi, trạm di động liên tục báo cáo cường độ tín hiệu (qua kênh SACCH) của các BTS lân cận cho hệ thống. Đo cường độ tín hiệu của các BTS lân cận được trạm di động thực hiện khi nó không bận làm các công việc khác, nghĩa là trong khoảng thời gian giữa phát và thu ở khe thời gian dành cho nó (hình 3.11). Cường độ tín hiệu của BTS phục vụ trạm di động được đo khi thu ở khe thời gian dành cho MS. MS được thông báo phải đo các sóng mang BCCH nào thông qua thông tin hệ thống ở SACCH. Để đảm bảo đo đúng BTS cần thiết MS phải xác định được nhận dạng của BTS này. Nhận dạng của BTS được cho bởi giá trị BSIC được phát trên SDH ở TS 0/C0 (khe TS 0, tần số mang BCCH là C0). 0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2 ắ ắ ắ Các khung TDMA 24 25 Để trống 0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2 1 2 2 1 4 3 24 25 Để trống Hình 3.11. Vì thế trong thời gian khung rỗi ở đa khung cho TCH (26 khung TDMA), MS phải kiểm tra mã nhận dạng trạm gốc BSIC của các BTS lân cận. MS chỉ đo cường độ tín hiệu tương ứng với 6 BTS lân cận. Các hoạt động khác nhau của MS ở hình (3.11). (1) MS thu và đo tín hiệu ở BTS đang phục vụ nó (TS 2). (2) MS phát (3) MS đo cường độ tín hiệu ở 1 trong các ô lân cận (4) MS đọc BSIC trên kênh đồng bộ SCH (TS 0) cho 1 trong số các ô mạnh nhất. Nếu MS không đồng bộ với ô mà nó muốn nhận dạng, thì nó không tìm được TS 0 mang kênh quảng bá BCCH. Vì thế nó phải đo ở khoảng thời gian ít nhất là 8 khe thời gian để đảm bảo xác định chắc chắn TS 0 mang BCCH. Các đa khung trượt. MS chỉ đo ở khe TS 0 chưa đủ, nó còn phải tìm được kênh đồng bộ SCH ở khe này. Ta biết đa khung gồm SCH với 10 TS 0 phát đi mới có 1 SCH (xem ghép kênh logic và kênh vật lý). Như vậy, xác suất MS nghe thấy BCCH, CCCH cao hơn nghe thấy SCH. Để giải quyết vấn đề này, đa khung mang TCH được trượt so với đa khung mang kênh điều khiển (TCH nghe SCH tại các khung để trống IDLE). Đa khung TCH có tốc độ lặp là 26 khung TDMA, còn đa khung điều khiển có tốc độ lặp là 51 khung TDMA, nghĩa là khung để trống sẽ trượt dần ở tất cả các khung chứa kênh điều khiển ở TS 0 trong đa khung 51 khung và cuối cùng nó sẽ gặp được SDH. Hình bên cho thấy quá trình được gọi là đa khung trượt. Hai mũi tên ở sơ đồ đánh dấu 2 trường hợp khung IDLE (để trống) ở đa khung TCH gặp SCH ở đa khung điều khiển. Lưu ý rằng ở cuối đa khung điều khiển SCH không xuất hiện 10 khung 1 lần vì ở đây 1 khung IDLE được đưa vào, vì vậy trong trường hợp xấu nhất việc xác định BSIC rất trễ. MS phải có khả năng giải mã BSIC cho 6 ô mạch nhất trong 10 giây. Thậm chí trong trường hợp xấu nhất đối với 6 ô lân cận MS vẫn phải giải mã tất cả 6 BSIC trong 10 giây. * Nhẩy tần (hình 3.12) Nguyên lý: MS phát khe thời gian của mình theo 1 chuỗi tần số rút ra từ 1 thuật toán. Nhảy tần xảy ra giữa các khe thời gian, vì thế MS phát (thu) ở 1 tần số, một TS, sau đó nhảy đến tần số khác trước khi có khe TS này ở khung TDMA sau. Các tần số phát và thu luôn là song công, nghĩa là đường lên và đường xuống sử dụng cùng 1 chuỗi nhảy tần. Mục đích: Tại 1 vị trí, nếu MS đang dùng tần số f1. Tại tần số này nhiễu mạnh làm cho chất lượng tín hiệu giảm. Ta phải nhảy sang tần số khác, đảm bảo chất lượng tín hiệu. Trường hợp không nhảy tần là trường hợp đặc biệt của thuật toán nhảy tần. MS nhận được thông số nhảy tần trong thời gian thiết lập cuộc gọi và chuyển giao. Trong hình 3.12 ta thấy các kênh vật lý chứa BCCH không nhẩy và các khe khác nhau nhẩy khác nhau (ví dụ ở tần số C 0 và C 2). Tốc độ nhảy khoảng 217 lần/s. 0 1 2 3 4 5 6 7 . . . . . . . 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 Đường xuống (ô đang phục vụ) Đường lên (ô đang phục vụ) C0 C2 C1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 Đường xuống (các ô lân cận) C0' C2' C1' D0 E0 D0 D0 Hình 3.12. Nhảy tần. 2.5. Mã hoá kênh ở GSM. Mã hoá kênh được sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong luồng bít thu để giảm tỷ số bít lỗi (BER). ở các hệ thống thông tin di động người ta sử dụng 2 dạng mã kênh khác nhau: mã khối tuyến tính (Lincar Block Code) và mã xoắn được sử dụng để sửa lỗi. 2.5.1. Các mã khối tuyến tính GSM. ở loại mã này luồng thông tin được chia thành các khối có độ dài bằng nhau. Các bít dư được bổ sung vào khối theo 1 thuật toán nhất định phụ thuộc vào loại mã được sử dụng. Các mã khối được xác định bằng ba thông số: độ dài n, độ dài thông tin k và khoảng cách cực tiểu d. Các mã khối trong đó các bít bản tin xuất hiện ở phần đầu của khối được gọi là mã hệ thống. Tỷ số g = k/n được gọi là tỷ lệ mã. So đồ khối tổng quát của bộ mã hoá khối tuyến tính được biểu diễn ở hình 3.13. D1 D2 D3 D4 X0 X1 X2 X3 Dn-k Xn-k-1 CM2 (Đường hồi tiếp) Xn-k Kbít bản tin n bít từ mã CM1 Di : flip - flop D1 D2 D3 D4 X0 X1 X2 X3 Dn-k Xn-k-1 CM2 (Đường hồi tiếp) Xn-k Kbít bản tin n bít từ mã CM1 Di : flip - flop Hình 3.13. Sơ đồ khối tổng quát của bộ mã hoá khối tuyến tính (n - k) Bộ mã hoá ở 3.13 bao gồm các plip - flop tạo nên 1 thanh ghi dịch, 1 mạch hồi tiếp cơ hai thực hiện cộng Modul - 2 các số liệu ở đầu vào flip - flop theo quy luật được xác định bởi đa thức tạo mã (các đường nối với bộ cộng Modul 2 chỉ xảy ra khi hệ số của thành phần mũ tương ứng bằng 1). Các bít nhận được trong thanh ghi dịch chính là các bít kiểm tra của từ mã được gửi đi. Hoạt động của sơ đồ bộ tạo mã ở hình 3.13 như sau: * Đầu tiên các flip - flop được khởi tạo vào "0" , kháo CM1 và CM2 ở vị trí dưới. * k bít bản tin 1 mặt được đưa ra ngoài bộ mã hoá, 1 mặt được đưa lên thanh ghi dịch để tính toán các bít kiểm tra chẵn lẻ. * Sau khi các bít bản tin đã đưa ra hết và các bít kiểm tra đã tính xong, các khoá CM1 và CM2 chuyển lên vị trí trên và các bít kiểm tra được đưa ra ngoài bộ mã hoá. * Sau đó quá trình lại lặp lại từ đầu cho k bít bản tin mới. Các mã khối tuyến tính ở thông tin di động GSM được sử dụng chủ yếu cho việc phát hiện lỗi ở phần chứa thông tin quan trọng nhất của bản tin được gửi đi. ở thông tin di động GSM 2 loại mã khối tuyến tính được sử dụng cho các kênh báo hiệu của đường vô tuyến. * Mã FIRE với đa thức tạo mã bằng: (X23 + 1) (X17 + X3 + 1) Và 40 bít kiểm tra. * Mã chẵn lẻ: - Cho RACH đa thức tạo mã là: X6 + X5 + X3 + X2 + X + 1 (số bít kiểm tra là 6). - Cho RACH đa thức tạo mã là: X10 + X8 + X6 + X5 + X4 + X2 + 1 (số bít kiểm tra là 10). - Cho kênh tiếng TCH đa thức tạo mã là: X3 + X + 1 (số bít kiểm tra là 3). Sơ đồ khối bộ mã hoá khối tuyến tính cho kênh TCH được cho ở hình 3.14. D1 D2 D3 X0 X1 X2 CM2 X3 50 bit bản tin 53 bit từ mã CM1 Di : flip - flop Hình 3.14. Mã hoá khối tuyến tính cho TCH 2.5.2. Các mã xoắn. ở mã xoắn 1 khối n bít mã do bộ tạo mã tạo ra không chỉ phụ thuộc vào k bít bản tin ở thời điểm được đưa vào bộ mã hoá mà còn phụ thuộc vào các bít bản tin của các khối trước đó. Mã xoắn được xác định bởi các thông số sau: - Tỷ lệ mã: v = k/n, trong đó n số bít ở đầu ra khi ứng với k bit ở đầu vào. - Độ dài hữu hạn k (Contraint length), (phụ thuộc vào số phần tử nhớ của thanh ghi dịch). - Độ dài hữu hạn k (Contraint length), phụ thuộc vào số phần tử nhớ của thanh ghi dịch). Một bộ mã hoá 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 1 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 (xem hình 3.15). D1 D2 D3 m u1 u2 u Hình 3.15. Sơ đồ bộ mã hoá xoắn g = 1/2, k = 3 Tổng quát ta có thể biểu diễn đường cộng Modul -2 phía trên (hoặc phía dưới) thanh ghi dịch ở dạng đa thức sau: g(x) = g0 + g1x + ... + gm-1xm-1 + gmxm Trong đó: x là toán tử trễ đơn vị, m là số thứ tự của flip - flop trong thanh ghi dịch. Tương tự ta có thể biểu diễn bản tin I ở đầu vào thanh ghi dịch như sau: m(x) = m0 + m1x + ... + mL - 2 xL - 2 + gL - 1xL - 1 Trong đó: m0 , m1 , ... , mL-1 là khối bản tin ở đầu vào, x là toán tử trễ đơn vị, L là độ dài của khối bản tin; trong đó m0 là bít vào đầu tiên. Mã xoắn ở đường cộng cơ hai phía trên được xác định theo công thức sau: M1(x) = m(x) g1 (x) Trong đó: g1(x) là đa thức tạo mã ở nhánh trên. Mã xoắn ở đường cộng cơ hai phía dưới được xác định như sau: U2(x) = m(x) g2 (x) Trong đó: g2(x) là đa thức tạo mã ở nhánh dưới. Có thể tăng hiệu suất xoắn bằng cách trích bỏ 1 số bít ở các luồng xoắn u1 hoặc u2 hoặc cả 2. Bộ mã hoá xoắn cho TCH ở GSM được xây dựng trên cơ sở 2 đa thức tạo mã: g1(x) = 1 + x3 + x4 g2(x) = 1 + x + x3 + x4 Sơ đồ bộ lập mã xoắn cho TCH ở GSM được cho hình 3.16. Các bit thông tin vào u1 u2 chuỗi các ký hiệu mã đầu ra D3 D2 D1 D4 g2 g1 Hình 3.16. Bộ lập mã xoắn cho kênh TCH ở GSM 2.5.3. Ghép xen (Interleaver) và mã hoá kênh ở GSM. Ghép xen: ở thông tin di động do các pha đinh sâu lâu các lỗi bít thường xảy ra từng cụm dài. Tuy nhiên mã hoá kênh, đặc biệt là mã hoá xoắn chỉ hiệu quả nhất khi phát hiện và sửa chữa các lỗi ngẫu nhiên đơn lẻ và các cụm lỗi không quá dài. Để đối phó với vấn đề này người ta chia khối bản tin cần gửi thành các cụm ngắn rồi ghép xen 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 1 cụm nhỏ, phần còn lại của bản tin vẫn cho phép các dạng mã hoá 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. Quá trình nói trên được gọi là ghép xen. Chẳng hạn ta có 4 khối bản tin (hình 3.17), ta chia mỗi khối thành 4 cụm và đánh số cho các cụm này từ 1 đến 4, sau đó ghép xen các cụm với nhau bằng cách ghép chung các cụm 1 vào một khối, các cụm 2 vào 1 khối... Giả sử đầu thu khối chứa các cụm 2 bị mắc lỗi, sau khi sắp xếp lại các khối bản tin chỉ mất có cụm 2, các cụm 1,3,4 còn lại sẽ có thể cho phép giải mã kênh khôi phục lại khối đúng. 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 Các khối bản tin Ghép xen các khối bản tin được ghép xen Hình 3.17. Nguyên lý ghép xen Mã hoá kênh và ghép xen cho tiếng TCH. Bộ mã hoá tiếng đưa các khối 260 bít/20ms đến bộ mã hoá kênh. Các bít này được chia thành 182 bít loại I (các bít được bảo vệ) 78 bít loại II (không được bảo vệ). Sự phân loại này dựa theo tầm quan trọng của các bít nhận được từ các thí nghiệm chủ quan. 50 bít đầu của loại 1 được bảo vệ bằng 3 bit chắn lẻ để phát hiện lỗi. Các bít chẵn lẻ này được tạo ra ở bộ mã hoá khối tuyến tính có đa thức tạo mã g(x) = x3 + x + 1 cho phép phát hiện 1 lỗi trên 1 khối 50 bít. Sau đó các bít loại 1 cùng với các bít chẵn lẻ được bổ sung thêm 4 bít đuôi bằng không và được mã hoá xoắn theo 2 đa thức: g1(x) = 1 + x3 + x4 g2(x) = 1 + x + x3 + x4 Cuối cùng các bít lớp 2 được bổ sung và mã xoắn để được mã ở đầu ra. Quá trình mã hoá kênh tiếng được cho ở hình 3.18. 50 132 78 132 78 Ia Ib ẵẵ Ia CRC Ib ẵẵ 50 3 260 210 53 25 66 3 66 25 3 78 ẵẵ Ib Ib Ia CRC Ia Đuôi 189 78 2 x 189 = 378 Loại I (Ia và Ib) được mã hoá với tỷ lệ R=1/2 78 ẵẵ 456 Hình 3.18. Mã hoá kênh cho tiếng toàn tốc Các bít sau mã hoá được tổ chức lại và được ghép xen theo 8 nửa cụm (hình 3.19) 1 9 17 25 2 10 18 26 3 11 19 27 4 12 20 28 5 13 21 29 6 14 22 30 7 15 23 31 8 16 24 32 57 bit 449 450 451 452 453 454 455 456 8 khung Hình 3.19. Ghép xen tiếng toàn tốc (mức 1) Mỗi bán cụm chứa 57 bít. Sau đó các bán cụm nói trên được ghép xen ở mức thứ 2 (hình 3.20) ghép xen ở mức 2. A1 A17 A23 ... A9 A25 A41 ... A4 A20 A36 ... A12 A28 A44 ... B1 A5 B17 A21 B33 A37 B9 A13 B25 A29 B41 A45... B4A8B20A24B36A40... B12A16B28A32B44A48... C1B5C17B21C33B37... C9B13C25B20C41B45... C4B8C20B24C36B40... C12B16C28B32C44B48 Cột thứ nhất ở khối A Cột thứ 3 ở khối A Cột thứ 2 ở khối A Cột thứ 4 ở khối A Cột thứ nhất ở khối B Cột thứ 5 ở khối A Cột cuối cùng chứa các bit thông tin ở khối A Cột cuối cùng chứa các bit thông tin ở khối B Hình 3.20. Ghép xen tiếng toàn tốc (mức 2) ở ghép xen này ta thấy bốn cụm đầu của 1 khối (khối A chẳng hạn) được đặt vào 4 cụm đầu ở các vị trí bit lẻ, các vị bít chẵn được dành cho ghép xen các bit của 4 bán cụm sau của khối trước đó (khối D chẳng hạn). Bốn bán cụm sau của khối A được đặt vào các vị trí chẵn của bốn cụm sau, các vị trí lẻ để ghép các bán cụm từ khối B. Với cách ghép xen này nếu ta mất hẳn 1 cụm thì ta chỉ mất 12,5% thông của 1 khối bản tin và sau khi sắp xếp lại các bit lỗi sẽ phân tán cách nhau 8 bít. Nếu bị lỗi 1 cụm liên tiếp 10 bit thì khi sắp xếp lại ở phía thu các bit lỗi sẽ phân tán cách nhau 16 bit. 2.5.4. Tổng kết mã hoá kênh ở giao diện vô tuyến của GSM Các quá trình mã hoá kênh cho các kênh logic ở GSM được tổng kết ở bảng 3.21. Loại kênh Tốc độ bit Kbit/s Các bit/khối số liệu + chẵn lẻ + đuôi Độ dư mã xoắn Số bít của 1 khối TCH/FS Loại Ia Loại Ib Loại II 13 50 + 3 + 0 182 + 3 + 4 78 1/2 456 (378) (78) TCH/F9.6 TCH/F4.8 TCH/H4.8 TCH/F2.4 TCH/H2.4 12 6 6 3.6 3.6 4 * 60 + 0 + 4 120 + 0 + 32 4 * 60 + 0 + 4 72 + 0 + 4 144 + 0 + 8 1/2 (244/456 có trích bỏ) 1/3 1/2 (244/456 có trích bỏ) 1/6 1/3 456 456 456 456 456 FACCH SDCCH SACCH BCCH AGCH PCH RACH SCH 184 + 40 + 4 184 + 40 + 4 184 + 40 + 4 8 + 6 + 4 25 + 10 + 4 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 456 456 456 36 78 Hình 3.21. Bảng tổng kết các quá trình mã hoá kênh logic ở GSM 2.6. Mật mã hoá. Một trong các ưu điểm lớn của hệ thống truyền dẫn số là dễ dàng bảo vệ tín hiệu này khỏi sự can thiệp của người thứ 3 không được phép bằng cách mật mã hoá tín hiệu số. ở GSM phương pháp mật mã hoá không phụ thuộc vào dạng số liệu được phát, nhưng chỉ áp dụng cho các cụm bình thường. Mật mã hoá tín hiệu đạt được bằng thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa 1 chuỗi ngẫu nhiên với 114 bit của cụm bình thường, nghĩa là với tất cả các bít thông tin trừ các cờ lấy cắp (bảng sau). Để giải mật mã người ta thực hiện thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa tín hiệu thu với chuỗi ngẫu nhiên. Tín hiệu số 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 ... Chuỗi mật mã 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 ... Tín hiệu đã mật mã hoá 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 ... Bảng nguyên lý mật mã và giải mật mã tín hiệu số Chuỗi ngẫu nhiên được tạo ra từ số khung và khoá mật mã Kc theo thuật toán A5. Khoá Kc giống nhau giữa thu và phát, số khung thay đổi từ cụm này đến cụm khác, vậy mỗi cụm của 1 cuộc thông tin trong 1 hướng (đường lên hoặc đường xuống) sẽ sử dụng chuỗi mật mã khác nhau. Thuật toán A5 như nhau cho mạng GSM toàn cầu vì phải đảm bảo khả năng chuyển vùng (Roaming) của MS. 22 bít số khung kết hợp với 64 bít Kc theo thuật toán A5 để tạo ra chuỗi ngẫu nhiên 144bit. A5 Số khung(22 bit) Kc (64 bit) S1(114 bit) S2(114 bit) Mật mã Giải mật mã MS A5 Số khung(22 bit) Kc (64 bit) S1(114 bit) S2(114 bit) Giải mật mã Mật mã BTS Hình 3.22. Nguyên lý mật mã và giải mật mã 2.7. Điều chế GSM sử dụng phương pháp điều chế khoá chuyển pha cực tiểu Gausơ GMSK (Gausia Minimum Shift Keying). Đây là phương pháp điều chế băng hẹp dựa trên kỹ thuật điều chế dịch pha. Để giải thích GMSK, trước hết ta xét MSK. Ta có thể trình bày sóng mang đã được điều chế với PSK và MSK như sau: S(t) = Acos (wct + yt + j0) Trong đó: A là biên độ không thay đổi. wc = 2 pf (rad/s) là tần số góc của sóng mang. yt là góc pha phụ thuộc vào luồng số đưa lên điều chế j0 là góc pha ban đầu. Đối với điều chế MSK ta được góc pha yt như sau: Trong đó: Chuỗi bit đưa lên điều chế là { ... di-1 , di , di+1 } ki = 1 nếu di = di-1 ki = -1 nếu di ạ di-1 fi (t) = t, T là khoảng thời gian của bit. Ta thấy ở MSK nếu bit điều chế ở thời điểm xét giống như bit ở thời điểm trước đó yt sẽ thay đổi tuyến tính từ 0 đến p/2, ngược lại nếu bit điều chế ở thời điểm xét khác với bit trước đó thì yt sẽ thay đổi tuyến tính từ 0 đến -p/2. Sự thay đổi góc pha ở điều chế MSK cũng dẫn đến thay đổi tần số theo quan hệ sau: w = dj(t)/dt Trong đó: j(t) = wct + yt + j0 Nếu chuỗi bit đưa lên điều chế không đổi (toàn số 1 hoặc toàn số 0) ta có tần số sau: w1 = 2pf1 = wc + pT/2 Nếu chuỗi bit đưa lên điều chế thay đổi luân phiên (1, 0, 1, 0...) thì ta có tần số: w2 = 2pf2 = wc + pT/2 Để thu hẹp phổ tần của tín hiệu điều chế luồng bit đưa lên điều chế được đưa qua bộ lọc Gausơ. ở GSM bộ lọc Gausơ được sử dụng bT = 0,3, trong đó b là độ rộng băng tần. Vậy độ rộng băng tần ở 3 db. Có thể tính như sau: b.T = 0,3 hay b = 0,3/T = 0,3/ (1/271 * 103) = 81 KHz. ở tần số 200 KHz so với tần số danh định mức công suất phổ vào khoảng -32 dbm đối với GMSK có bộ lọc bT = 0,3. Tần số chuẩn là 200/271 = 0,75. Để giảm nhiễu ở các kênh lân cận cần lưu ý khi quy hoạch tần số. Sơ đồ khối của bộ giải điều chế GMSK được cho ở hình sau: XOR y = 1-2x GF Phân kênh COS p/2 -sin (wct ) SIN ~ S(t) Cos (wct ) VCO X Y Trễ Tb di-1 Hình 3.23. Sơ đồ khối bộ điều chế GMSK Quan hệ giữa các bit số liệu vào di , di-1 , với các bit X ở đầu ra bộ XOR và các bit Y đầu ra bộ biến đổi đơn cực vào lưỡng cực được cho ở bảng sau: di di-1 X Y 0 0 0 +1 0 1 1 -1 1 0 1 -1 1 1 0 +1 Hình 3.24 3. Phương pháp truy nhập kênh trong thông tin di động. Trong thông tin di động, nguồn tần số giới hạn cần phải được sử dụng 1 cách hiệu quả. Có 3 phương pháp đa truy nhập kênh trong thông tin di động, đó là: đa truy nhập kênh phân chia theo tần số - FDMA (Frequency Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo thời gian - TDMA (Time Division Multiple Access), và đa truy nhập phân chia theo mã - CDMA (Code Division Multiple Access). + FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số. Phổ tần sẽ quy định cho liên lạc di động nhiều băng tần liên tiếp kề nhau, giữa các băng tần này phải có khoảng cách bảo vệ, giữa các đường lên xuống phải có khoảng phân cách. + TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian. Phổ tần số quy định cho liên lạc di động cho phép n số thuê bao sử dụng, nhưng mỗi thuê bao chỉ được truy nhập trong 1/n của khoảng thời gian trong toàn khung. Thông tin chỉ trao đổi trong 1 khe thời gian nên khoảng thời gian còn lại có thể dùng cho việc kiểm tra. + CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã. Là phương pháp trải phổ tín hiệu, thực hiện là gán cho trạm di động (MS) một mã riêng biệt cho phép nhiều người cùng thu - phát độc lập trên 1 băng tần nên tăng dung lượng cho hệ thống. Hiện tại công nghệ CDMA được sử dụng tại 1 số nước như Hàn Quốc và chưa được dùng rộng rãi trên thế giới. 1 t 2 t t N 1 2 N FDMA Trạm gốc a/ Thời gian FDMA Tần số N 2 1 B Thời gian Tần số N 2 1 B 1 t 2 t t N 1 2 N TDMA Trạm gốc b/ 1 2 N CDMA Trạm gốc b/ t Mã t 1 N t Mã t Thời gian t Mã CDMA 1 N Hình 1.2. Các phương pháp đa truy nhập a/ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA); b/ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA); c/ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA); 4. Cấu trúc báo hiệu trong giao diện vô tuyến Um Mạng báo hiệu là 1 hệ thống được sử dụng để truyền dẫn các thông tin báo hiệu. GSM sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7 CCS7 và cải tiến của nó. ở đây, CCS7 được thiết kế để có thể sắp đặt trên mô hình 7 lớp của OSI. Sự tương ứng giữa CCS7 và mô hình OSI 7 lớp cho ở hình 3.26. Giao thức lớp 2 trên giao diện Um được gọi là LAPPM. Đây là 1 dạng cải tiến của các thủ tục thâm nhập đường truyền ở kênh D (LAPD). Một điểm khác nhau nữa là các khung của LAPD có thể dài hơn nhiều so với các bản tin của LAPDM vì các khung của LAPDM phải đặt vừa vào các cụm. Cấu trúc giao thức đối với giao diện Um được cho ở hình 3.27. CM MM RR LAPDm LAPDm LAPD RR BTSM LAPD MTP lớp 3 MTP lớp 2 BTSM SCCP RR BSSAP MTP lớp 3 MTP lớp 2 SCCP MM BSSAP Lớp 2 Lớp 1 OSI MS Lớp 3 Báo hiệu lớp 1 Báo hiệu lớp 1 Radio A - bis A Báo hiệu lớp 1 Báo hiệu lớp 1 MTP lớp 1 MTP lớp 1 BTS BSC MTP lớp 3 MTP lớp 2 TCAP SCCP MAP MTP lớp 1 Lớp 2 Lớp 1 CM Lớp 3 Lớp 4-6 TUP ISUP Lớp 7 MSC PSTN OSI MSC/VLR, HLR, GMSC Hình 3.26. Giao thức báo hiệu ở GSM được sắp xếp theo mô hình OSI 7 lớp Lớp báo hiệu 3 CM quản lý kết nối CC SS SMS MMQuản lý di động RRQuản lý tiềm năng vô tuyến RRQuản lý tiềm năng vô tuyến Lớp báo hiệu 2 PCH AGCH BCCH RACH SDCCH SACCH FACCH Lớp báo hiệu 1 Các chức năng quảng bá CBCH Bm Ký hiệu: CC : Call control = Điều khiển cuộc gọi SS : Suplementary = Dịch vụ bổ sung SMS: Short message service = Dịch vụ bản tin ngắn. Hình 3.27. Cấu trúc giao thức giao diện vô tuyến 4.1. Lớp báo hiệu 1 Lớp báo hiệu 1 còn gọi là lớp vật lý trình bày các chức năng cần thiết để truyền các luồng bít trên các kênh vật lý ở môi trường vô tuyến. Lớp này giao diện với quản lý tiềm năng vô tuyến: ở giao diện này các bản tin được gửi đi liên quan đến ấn định các kênh vật lý (thâm nhập ngẫu nhiên) cũng như các thông tin hệ thống của lớp vật lý bao gồm các kết quả đo. Lớp vật lý cũng giao diện với các khối chức năng khác như: bộ mã hoá tiếng, các bộ thích ứng đầu cuối để đảm bảo các kênh lưu lượng. Lớp 1 bao gồm các chức năng chính sau: - Sắp xếp các kênh logic lên các kênh vật lý. - Mã hoá kênh để sữa lỗi. - Mã hoá kênh để phát hiện lỗi. - Mật mã hoá. - Chọn ô ở chế độ rỗi. - Thiết lập các kênh quản lý dành riêng. - Đo cường độ trường của các kênh dành riêng và cường độ trường của các trạm gốc xung quanh. - Thiết lập định trước thời gian và công suất theo sự điều khiển của mạng. Các cổng mà qua đó lớp này cung cấp dịch vụ cho lớp 2 được gọi là các điểm thâm nhập dịch vụ SAP. Tồn tại các cổng khác nhau cho các bản tin ngắn và cho các bản tin của lớp đường truyền. Các kênh vật lý và logic đã được xét ở phần trên. Thông tin ở các kênh điều khiển (CCH) được truyền ở các khối 23 byte còn ở kênh RACH thông tin được ở các khối 8 byte. 4.2. Lớp báo hiệu 2. Là lớp đường truyền số liệu. Mục đích của lớp báo hiệu 2 là cung cấp đường truyền tin cậy giữa trạm di động và mạng, định nghĩa cấu trúc của các khối 23 byte trong CCH và đặc biệt là việc đánh số và công nhận các khối này. Mỗi kênh điều khiển logic được dành riêng 1 phần tử giao thức. Giao thức của lớp này được gọi là LAPDM được xây dựng trên cơ sở giao thức LAPD của ISDN. Tuy nhiên, có 1 vài thay đổi để phù hợp với 1 trường truyền dẫn vô tuyến và để đạt được hiệu suất lớn hơn trong việc tiết kiệm phổ tần. Chẳng hạn ở đây không sử dụng kiểu ba tổng vì mã hoá kênh ở lớp 1 đã thực hiện chức năng này. Một thay đổi khác là 1 số khung điều khiển như SABM và UA có thể mang thông tin lớp 3 nhờ vậy tiết kiệm được thời gian và phổ. Thủ tục này được gọi là piggy - backing (cõng nhau). Các bản tin LAPD có thể dài tới 249 Byte và vì thế chúng được phân đoạn. Các số liệu trao đổi giữa lớp vật lý và lớp đường truyền là 23 byte đối với BCCH, CCCH, SDCH và FACH, còn đối với SACCH là 21 byte. LPD SAPI C/R Độ dài M Lớp 3 Các bít đệm 1 2 3 n 23 Trường địa chỉ Trường điều khiển Chỉ thị độ dài Trường thông tin Hình 3.28. Cấu trúc của khung lớp 2 Ký hiệu: LPD: Phân biệt giao thức đường truyền SAPI: Điểm thâm nhập dịch vụ C/R: Lệnh/Trả lời. 4.3. Lớp báo hiệu 3. Lớp 3 là lớp mạng, đảm bảo các thủ tục báo hiệu giữa trạm di động và mạng. Các thuộc tính đặc thù của giao diện vô tuyến đòi hỏi phải chia lớp này thành 3 lớp con RR, MM, CM. Trong đó mỗi bản tin báo hiệu chỉ trực thuộc 1 và chỉ 1 trong số các lớp con này (hình 3.28). - Quản lý tiềm năng vô tuyến (RR) Là lớp con thấp nhất trong 3 lớp con, bao gồm các chức năng cần thiết để thiết lập, duy trì và giải phóng kết nối logic ở DCCD (chẳng hạn SDCCH và FACCH). Các chức năng được lớp này thực hiện bao gồm: + Thiết lập chế độ mật mã + Thay đổi kênh dành riêng khi vẫn ở ô cũ như: từ SDCCH đến kênh lưu lượng. + Chuyển giao từ 1 ô này đến ô khác. + Định nghĩa lại tần số (sử dụng cho nhảy tần). Các bản tin của lớp này được đặt bên trong BSC, và được truyền trong suốt qua BTS. - Quản lý di động MM: là lớp con thứ 2, xử lý các thủ tục mặc dù cần thiết cho điều hành MS, nhưng chỉ liên kết gián tiếp đến việc thiết lập và xoá cuộc gọi như: cập nhật vị trí, nhận thực. Lớp con này chứa các chức năng liên quan đến di động của thuê bao như: + Nhận thực + ấn định tại TMSI. + Nhận dạng trạm di động bằng cách yêu cầu IMSI hay IMEI. Trạm di động có thể thực hiện dời mạng IMSI để thông báo rằng không thể đạt tới trạm này vì thế các cuộc gọi vào sẽ được mạng chuyển hướng hoặc chặn chứ không tìm gọi trạm di động nói trên. Các bản tin tới/từ lớp CM được truyền trong suốt bởi mật mã. CM ở phía phát yêu cầu thiết lập MM và mật mã lại yêu cầu thiết lập đấu nối RR. - Quản lý nối thông CM: là lớp con cao nhất, được chia thành 3 phần không phân cấp tương đương với 3 người sử dụng MM: điều khiển cuộc gọi CC, hỗ trợ dịch vụ bổ sung SS và dịch vụ bản tin ngắn SMS. - Điều khiển cuộc gọi CC cung cấp các chức năng và các thủ tục để điều khiển cuộc