Is As

Cấu trúc mạng GSM Mạng GSM gồm có 3 thành phần, đó là trạm di động cung cấp khả năng liên lạc, hệ thống trạm gốc điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động và hệ thống mạng có chức năng thực hiện chuyển mạch các cuộc gọi giữa các thuê bao di động. Hình 1 dưới đây mô tả cấu trúc tổng quan của mạng GSM. Cấu trúc của mạng GSM có thể được chia thành ba phần. Trạm di động (Mobile Station) được người thuê bao mang theo. Hệ thống trạm gốc ( Base Station Subsystem) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động. Hệ thống mạng (Network Subsystem), với bộ phận chính là Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC), thực hiện việc chuyển mạch cuộc gọi giữa các thuê bao di động và giữa các thuê bao di động với thuê bao của mạng cố định. MSC cũng thực hiện các chức năng quản lý di động. Ở đây không vẽ trung tâm vận hành bảo dưỡng (OMC) với chức năng đảm bảo vận hành và thiết lập mạng. Trạm di động và hệ thống trạm gốc giao tiếp thông qua giao diện Um, còn được gọi là giao diện không gian hoặc kết nối vô tuyến. Hệ thống trạm gốc giao tiếp với MSC qua giao diện A.

Cấu trúc tổng quan mạng GSM Trạm di động Trạm di động (MS) bao gồm điện thoại di động và một thẻ thông minh xác thực thuê bao (SIM). SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế người sử dụng có thể lắp SIM vào bất cứ máy điện thoại di động GSM nào truy nhập vào dịch vụ đã đăng ký. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số nhận dạng điện thoại di động IMEI (International Mobile Equipment Identity). Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI (International Subcriber Identity) để hệ thống nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác. IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân. Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân (PIN). Hệ thống trạm gốc Hệ thống trạm gốc gồm có hai phần Trạm thu phát gốc (BTS) và Trạm điều khiển gốc (BSC). Hai phần này giao tiếp với nhau qua giao diện Abis, cho phép các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau có thể "bắt tay" nhau được.

Trạm thu phát gốc có bộ thu phát vô tuyến xác định một ô (cell) và thiết lập giao thức kết nối vô tuyến với trạm di động. Trong một khu đô thị lớn thì số lượng BTS cần lắp đặt sẽ rất lớn. Vì thế, yêu cầu đối với trạm BTS là chắc chắn, ổn đinh, có thể di chuyển được và giá thành tối thiểu. Trạm điều khiển gốc quản lý tài nguyên vô tuyến cho một hoặc vài trạm BTS. Nó thực hiện thiết lập kênh vô tuyến, phân bổ tần số, và chuyển vùng. BSC là kết nối giữa trạm di động và tổng đài chuyển mạch di động MSC. Hệ thống mạng Thành phần trung tâm của hệ thống mạng là tổng đài chuyển mạch di động MSC. Nó hoạt động giống như một tổng đài chuyển mạch PSTN hoặc ISDN thông thường, và cung cấp tất cả các chức năng cần thiết cho một thuê bao di động như: đăng ký, xác thực, cập nhật vị trí, chuyển vùng, định tuyến cuộc gọi tới một thuê bao roaming (chuyển vùng). MSC cung cấp kết nối đến mạng cố định ( PSTN hoặc ISDN). Báo hiệu giữa các thành phần chức năng trong hệ thống mạng sử dụng Hệ thống báo hiệu số 7 (SS7). Bộ ghi địa chỉ thường trú (HLR) và Bộ ghi địa chỉ tạm trú (VLR) cùng với tổng đài chuyển mạch di động MSC cung cấp khả năng định tuyến cuộc gọi và roaming cho GSM. HLR bao gồm tất cả các thông tin quản trị cho các thuê bao đã được đăng ký của mạng GSM, cùng với vị trí hiện tại của thuê bao. Vị trí của thuê bao thường dưới dạng địa chỉ báo hiệu của VLR tương ứng với trạm di động. Chỉ có một HLR logic cho toàn bộ mạng GSM mặc dù nó có thể được triển khai dưới dạng cơ sở dữ liệu phân bố. Bộ ghi địa chỉ tạm trú (VLR) bao gồm các thông tin quản trị được lựa chọn từ HLR, cần thiết cho điều khiển cuộc gọi và cung cấp dịch vụ thuê bao, cho các di động hiện đang ở vị trí mà nó quản lý. Mặc dầu các chức năng này có thể được triển khai ở các thiết bị độc lập nhưng tất cả các nhà sản xuất tổng đài đều kết hợp VLR vào MSC, vì thể việc điều khiển vùng địa lý của MSC tương ứng với của VLR nên đơn giản được báo hiệu. Chú ý rằng MSC không chứa thông tin về trạm di động cụ thể- thông tin này được chứa ở bộ ghi địa chỉ.. Có hai bộ ghi khác được sử dụng cho mục đính xác thực và an ninh . Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR) là một cơ sở dữ liệu chứa một danh sách của tất cả các máy điện di dộng hợp lệ trên mạng với mỗi máy điện thoại được phân biệt bởi số IMEI. Một IMEI bị đánh dấu là không hợp lệ nếu nó được báo là bị mất cắp hoặc có kiểu không tương thích. Trung tâm xác thực (AuC) là một cơ sở dữ liệu bảo vệ chứa bản sao các khoá bảo mật của mỗi card SIM, được dùng để xác thực và mã hoá trên kênh vô tuyến.

Đây chỉ là cấu trúc tổng quan để có một cái nhìn chung về thiết bị đầu cuối GSM thôi nha. Hệ thống thông tin GSM là hệ thống thông tin di động số hóa được các nước khối CEPT nghiên cứu và để xuất. Từ năm 1986 tiêu chuẩn GSM được công nhận và dải sóng siêu cao tần của GSM được phân bố ở tần số 900MHz. Đến năm 1992 dịch vụ thông tin di động GSM được ứng dụng trên nhiều khu vực trên thế giới. Từ đó đến nay trên thị trường máy điện thoại cầm tay, các nhà sản xuất đưa ra nhiều kiểu máy, không ngừng thu nhỏ kích thước, giảm trọng lượng. Mỗi kiểu máy có thêm nhiều tiện ích. Dưới đây chúng ta sẽ đề cập đến sơ đồ chức năng của máy cầm tay GSM thuộc thế hệ 2, đang có nhiều ở nước ta. Các máy cá nhân cầm tay dùng trong mạng thông tin di động GSM được các hãng sản xuất như Erricsson, Nokia, Siemens, Philips, Alcatel, Motorola, Samsung... đưa ra thị trường và không ngừng thay đổi về kiểu dáng, kích thước, độ tích hợp... nhưng về cơ bản, một máy cá nhân gồm 3 bộ phần: - Khối cao tần ( Phần thu và phát song cao tần hay còn gọi là RF). - Khối logic ( Hay phần điều khiển chính của máy ). - Khối hiển thị và giao tiếp với người sử dụng ( Gồm màn hình, bàn phím hồng ngoại…) Trong đó khối cao tần (radio frequency) gồm bộ phận phát (TX), bộ phận thu (RX) ngoài ra còn có bộ tổng hợp và anten. Trong mục này, chúng ta lưu ý nhiều tới khối cao tần. Khối logic gồm các mạch logic và bộ phận điều khiển, bộ xử lý tín hiệu thoại, xử lý và cung cấp điện nguồn một chiều. Hiện nay hầu hết khối logic được tích hợp trong một CPU để xử lý toàn bộ . CPU này chịu sự điều khiển của phần mềm (Firmware và software gần giống trên máy vi tính). Cũng cần nói thêm về nguồn pin (chính xác là accu) trong các máy thuộc thế hệ đầu dùng pin Niken Cadimi (Ni-Cd) nên có trọng lượng khá lớn và mau hư hỏng do tính nhớ của pin. Từ cuối những năm 1990 đến nay, các nguồn cấp cho máy cầm tay đều dùng pin Ion Lithium nên kích thước nhỏ gọn và trọng lượng của toàn máy gọn nhẹ dưới 100g. Khối giao diện người sử dụng (UI) bao gồm màn hình thường là màn hình LCD, một dàn nút bấm (Keyboard) để thực hiện lệnh từ người sử dụng, ngoài ra còn có các đầu kết nối để tải dữ liệu , các cổng giao tiếp và hệ thống đèn chiếu sang… Sau đây chúng ta thử phân tích quá trình xử lý tín hiệu khi thực hiện một cuộc gọi. Hình 1 Phân tích theo chiều phát từ máy thuê bao di động (MS) đến trạm gốc BTS: - Tín hiệu thoại (tiếng nói) trong dải tần từ 300 đến 3400Hz được số hóa qua bộ biến đổi A/D. Tín hiệu được mã hóa theo thuật toán FPE-LPT (kích thích xung đều - dự đoán trường kỳ). Bước mã hóa này gọi là “mã hóa nguồn”. Kết quả chuỗi xung đưa ra có tốc độ 13kbit/s.

- Trong bước “mã hóa nguồn” theo thuật toán RPE-LPT thì cứ 20ms của âm thoại ta phải truyền được 260bit nên tốc độ của mỗi kênh là 260bit:20 x 10-3 = 13kbit/s. - Tiếp theo bộ mã hóa kênh thực hiện bảo mật các dữ liệu, thêm các bit dưới và bit bảo vệ để lập thành các cụm (burst) còn gọi là khe thời gian. Tốc độ của cụm là 270,8kbit/s. Dãy xung đã được mã hóa trên đưa vào điều chế dao động trung gian (thường là 70 đến 400MHz). Tại đây thực hiện "điều chế di pha cực tiểu Gauss" GMSK (Gaussian Minimmum Shift Keying). Về bản chất MSK là điều tần mã nhị phân với 2 tần số phù hợp với tín hiệu được chọn trong mỗi khoảng nhịp của tần số đó có dịch pha 180o. So với điều chế di pha 2PSK thì phổ của MPSK hẹp hơn. Tín hiệu trung tần IF đã được điều chế lại thực hiện việc trộn với dao động VCD để nâng tần số mang lên tới 890 đến 915MHz. Tín hiệu này được khuếch đại qua bộ ghép (duplexer) và đưa ra anten. Ta cũng cần biết thêm về kênh vô tuyến của hệ thống GSM. Theo quan điểm truyền dẫn, kênh vật lý là một khe thời gian tại một sóng mang vô tuyến được chỉ định. Theo quan điểm tin tức, kênh logic mang nội dung tin được đặt vào các kênh vật lý. Cách tổ chức kênh vật lý của GSM như sau: - Dải tần 890-915MHz dùng cho đường lên (từ MS đến BTS) - Dải tần 935-960MHx dùng cho đường xuống (từ BTS đến MS). Dải thông tần một kênh vật lý là 200MHz cộng với dải bảo vệ thu phát 206kHz. Như vậy trong dải tần dành riêng cho GSM chứa được 124 kênh vô tuyến như trên hình 2. Mỗi kênh vô tuyến này mang một khung TDMA với 8 khe thời gian. Mỗi khung dài 4,62ms. Khung đường lên trễ 3 khe so với khung đường xuống. Nhờ sự trễ này mà máy cầm tay MS có thể sử dụng một khe thời gian có cùng số thứ tự ở cả đường lên lẫn đường xuống. Hình 2 Theo chiều thu từ trạm gốc BTS đến máy di động cá nhân MS ta thấy tín hiệu biến đổi như sau: Tín hiệu tần số 935-960MHz từ anten qua bộ phân chia (duplexer), sau khi được khuếch đại thực hiện đổi tần lần thứ nhất. Tín hiệu thu cùng trộn với dao động nội 962-995MHz. Tại đầu ra của bộ đổi tần là tần số trung tần IF thứ nhất. Tín hiệu trung tần này được khuếch đại và qua bộ lọc và tiếp tục tiến hành đổi tần lần thứ hai. Tín hiệu trung tần 2 qua bộ lọc và hạn chế biên độ được tiến hành giải điều chế GMSK và khôi phục lại cụm tín hiệu 270kbit/s. Tiếp theo tín hiệu được giải mã kênh để khôi phục lại xung 13kbit/s của tín hiệu thoại. Sau khi qua bộ biến đổi digital-analog (D/A) tín hiệu thoại được khôi phục và đưa tới tai nghe. Về cơ bản, cấu trúc các khối chức năng trên lộ trình truyền tín hiệu thoại theo cấu trúc của máy phát và máy thu vô tuyến điện, nhưng cấu trúc của máy cầm tay GSM rất phức tạp và ở mức trình độ công nghệ cao như công nghệ chế tạo vi mạch khuếch đại siêu cao tần tạp âm nhỏ, công nghệ vi xử lý với tốc độ rất cao. Mặt khác việc xử lý tín hiệu phải đồng bộ một cách chính xác dưới sự điều khiển của trạm gốc BTS để 8 thuê bao cùng sử dụng 1 kênh cao tần. Trong các máy thiết bị đầu cuối hiện nay các khối

chức năng chính được đặt gọn trong các vi mạch có độ tích hợp cao VLSI, thích hợp với ghép kênh theo thời gian TDMA của GSM. Chẳng hạn như khối phát và khối thu có thể tích hợp trong một vi mạch RF, việc phát và thu trong một máy thiết bị đầu cuối thực hiện trong các "khe thời gian" khác nhau nên giữa thu và phát không xuyên nhiễu lẫn nhau. Ta chỉ dùng một vi mạch để tổng hợp tạo ra tần số VCO cho thu và cho phát. Sự tổng hợp tần số diễn ra rất nhanh dưới sự điều khiển của trạm gốc BTS. Như trên, chúng ta quan tâm nhiều đến quá trình biến đổi của tín hiệu thoại trên kênh vật lý. Kênh logic cũng có liên quan chặt chẽ với kênh vật lý. Trong một cuộc gọi bên cạnh các tin tức về thoại, kênh vật lý cũng chuyển tải các dữ liệu điều khiển sự hoạt động của cả hệ thống. Chính kênh vật lý cũng phải chuyển tải một số kênh logic. Ta có thể chia ra 2 loại kênh. a- Kênh lưu lượng TCH, chuyển các thông tin của thuê bao (điện thoại hoặc số liệu). Kênh TCH có thể làm việc với tốc độ 22,8kbit/s gọi là toàn tốc độ hoặc với tốc độ 11,4 kbit/s gọi là nửa tốc độ. b- Kênh báo hiệu SCH, mang các thông tin báo hiệu cần thiết để hoạt động bình thường. Kênh báo hiệu lại có thể phân ra 3 loại: Hình 3 + Kênh điều khiển quảng bá BCCH + Kênh điều khiển chung CCCH + Kênh điều khiển dành riêng DCCH Kênh BCCH là kênh quảng bá các thông tin "hệ thống" liên quan tới cell mà thuê bao MS đang cư trú. Kênh này lại chia ra: + FCCH, kênh hiệu chỉnh tần số, truyền cho máy MS để nó hiệu chỉnh đúng với tần số của BTS. + SCH, kênh đồng bộ khung cho MS. Kênh điều khiển chung CCCH là kênh thiết lập sự truyền thông giữa BTS và MS và nó gồm có: + RACH, kênh truy nhập ngẫu nhiên. Máy thuê bao MS truyền tới BTS kênh RACH để yêu cầu về di động. + Kênh tìm gọi PCH. Trạm BTS truyền xuống để gọi MS. + Kênh cho phép truy nhập AGCH, chỉ được dùng ở đường xuống để thực hiện một kênh lưu lượng TCH và kênh DCCH cho thuê bao. Kênh điều khiển dành riêng DCCH gồm có: + Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình dùng để cập nhật và thiết lập cuộc gọi. + Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH, là một kênh hoạt động liên tục trong suốt cuộc liên lạc để truyền các số liệu đo lường và kiểm soát công suất. + Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH, nó liên kết với một kênh TCH và hoạt động bằng cách lấy lên một khung FACCH được dùng để chuyển giao cell. Sau khi tìm hiểu các kênh logic trên ta thấy: các kênh vô tuyến được chỉ định cho thuê bao khi xuất hiện có nhu cầu. Các kênh logic theo hướng trên có: + Các kênh truyền xuống gồm có BCCH, FCCH, SCH, PCH, ACCH. + Các kênh truyền lên có: RACH

Vì kênh thuê bao (thoại hoặc dữ liệu) thì mỗi khe thời gian của kênh thoại chứa 260bit trên một khối (hình 2). Trong sơ đồ kết cấu của máy di động MS thì các khối vi xử lý, điều khiển, giao diện người/máy cũng rất quan trọng. Sơ đồ khối (hình 3) cho ta một quan niệm đầy đủ hơn về máy MS hiện có trên thị trường. Máy MS thực hiện thu phát sóng phụ thuộc rất chặt chẽ vào sự điều khiển của trạm gốc BTS. Chức năng này được truyền trên kênh logic và các vi mạch logic thực hiện các lệnh. Bản thân máy có các bộ nhớ RAM, ROM hoặc EEPROM... và bộ xử lý trung tâm CPU. Từ bộ giải điều chế kênh, bên cạnh bộ mã của tín hiệu thoại ta còn lấy ra các dữ liệu của kênh điều chỉnh tần số FCCH, kênh đồng bộ SCH, kênh điều chỉnh công suất phát PCH, kênh liên kết chậm. Các tín hiệu này được đưa vào mạch logic để giải mã và thực hiện các nhiệm vụ: - Khống chế công suất máy phát, - Đo cường độ tín hiệu thu - Điều chỉnh tần số dao động nội VCO - Hiển thị các số liệu. Theo chiều từ máy thuê bao MS, ta thấy trước khi thực hiện cuộc gọi, người sử dụng phải ấn các nút trên bàn phím để phát xung tín hiệu gọi DTMF, tín hiệu điều khiển liên kết SAC. Các tín hiệu logic này cùng ghép vào đường thoại đưa vào mạch điều chế DTMF. Trên đây chúng ta đã tìm hiểu một số khối chức năng chính và cách xử lý một cuộc thoại của máy điện thoại di động thế hệ 2. __________________