TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang 1

Phần 1: GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG CELL
Giới thiệu
Phần này giới thiệu các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu, thế hệ thứ hai. Nội dung phần
này bao gồm:
 Mạng vô tuyến cell
 Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu
 Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ thứ hai và các hệ thống phi GSM
 Các hệ thống cell trên thế giới và sự phân bố thuê bao
Mạng vô tuyến cell
Các đặc tính của mạng vô tuyến di động
 Mạng vô tuyến di động hình thành theo cấu trúc tế bào nên còn có tên gọi là mạng vô tuyến
cell. Mỗi cell là vùng phủ của 1 anten. Vì thế hình dáng của cell phụ thuộc vào kiểu anten và
công suất phát của từng trạm gốc. Dạng anten thường sử dụng là anten vô hướng phát đẳng
hướng và anten có hướng tập trung công suất phát theo hướng nhất định
 Số lượng tần số trong mạng là hữu hạn. Do đó, để sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến ta cần
sử dụng lại tần số ở các BTS khác nhau
 Tính di động giữa các cell thực hiện được nhờ vào chuyển giao (giới thiệu cụ thể ở chương 8).

Hình 1.1-Mốc thời gian ra đời của các thế hệ mạng
Hệ thống cell thế hệ thứ nhất
Các đặc tính của hệ thống cell thế hệ thứ nhất:
 Giới thiệu rộng rãi đầu năm 1980 Hình 1.2- Sự phân bố tần số giữa các cell trong mạng vô tuyến cell.
Hệ thống cell thế hệ thứ hai
Các đặc tính hệ thống cell thế hệ thứ hai
 Giới thiệu rộng khắp trong những năm 1990
 Dùng điều chế số
 Dùng nhiều kỹ thuật đa truy cập khác nhau
 Sử dụng phổ vô tuyến hiệu quả hơn
 Truyền thọai và dữ liệu chuyển mạch mạch tốc độ thấp
 Có khả năng roaming quốc tế
 An tòan trên giao diện vô tuyến
 Tương thích với ISDN
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang 3

Trong khi những hệ thống thế hệ đầu dùng kiến trúc cell và tái sử dụng lại tần số thì các hệ thống
số vẫn phát triển quan diểm này và dùng thêm các thông số cell đa lớp (các microcell và macrocell).
Tái sử dụng tần số chặt hơn do nhiễu trong truyền dẫn số giảm.
Các đặc tính của mạng CDMAOne
 Những mạng đầu tiên năm 1996
 Bắt nguồn từ giao diện vô tuyến Qualcomm IS-95


Ph
ầ
n l
ớ
n đư
ợ
c dùng
ở

châu ÁH
ọ
ach đ
ị
nh gi
ố
ng m
ạ
ng GSMH
ọ
ach đ
ị
nh gi
ố

Sự phân bố thuê bao trong các hệ thống cell

TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang 4 Hình 1.3-Sự phân bố thuê bao ứng với các thế hệ mạng di động

Hình 1.4-Sự phân bố thuê bao di động trên thế giới
Các đặc tính của mạng 2.5G
 Điều chế số
 Thọai và dữ liệu chuyển mạch mạch tốc độ vừa
 Kỹ thuật roaming 2G
 An tòan trên giao diện vô tuyến
 Dựa trên các chuẩn ưu thế đã tồn tại trong mạng 2G như GSM và CDMAOne
 Tốc độ dữ liệu được tăng cao
xuất tại Hàn Quốc(30).
2.1.2 IMSI-International Mobile Subscriber Identity
IMSI là số nhận dạng thuê bao di động quốc tế dùng để phân biệt các thuê bao di động tòan
cầu. Nó được dùng cho báo hiệu trong mạng, được lưu trong SIM, HLR và VLR đang phục vụ
Số IMSI luôn gồm 3 phần:  MCC(Mobile Country Code): Mã nước di động(Việt Nam là 452)
 MNC(Mobile Network Code): Mã nhà cung cấp mạng di động(Viettel là 04)
 MSIN(Mobile Station Identification Number): số nhận dạng thuê bao di động
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang 6

2.1.3 TMSI-Temporary Mobile Subscriber Identity
TMSI là số nhận diện thuê bao di động tạm thời. Số này có giá trị trong từng LA, được cấp
mới cho MS mỗi khi thực hiện IMSI attach, hay khi cập nhật vị trí do MS chuyển sang LAI khác.
Số này được sử dụng để tìm gọi MS trên giao diện vô tuyến, được thay đổi sau từng cuộc gọi hay
theo chu kỳ để tránh cho MS bị theo dõi bằng cách nghe lén tín hiệu gọi trên đường vô tuyến. Chỉ
khi không thể gọi được bằng TMSI thì mạng mới tìm gọi MS bằng IMSI. TMSI được lưu trong
VLR và trong SIM. TMSI bao gồm 4 octet. Mỗi nhà điều hành mạng có thể chọn cấu trúc TMSI
2.1.4 LAI-Location Area Identity
Mạng PLMN sẽ được chia thành nhiều vùng nhỏ gọi là LA(Location area). Mỗi vùng nhỏ này
sẽ có 1 số nhận dạng và số này gọi là LAI. LAI được broadcast đều đặn bởi các BTS trên kênh
BCCH. Công dụng của LAI là dùng để tìm gọi và cập nhật vị trí cho thuê bao

2.1.7 CI-Cell Identifier
CI là số nhận dạng cell dùng để nhận dạng các cell khác nhau trong 1 mạng PLMN
2.1.8 BSIC-Base Station Identity Code
BSIC là mã dùng để phân biệt các cell khác nhau khi các cell này có cùng tần số BCCH. Hai
cell có tần số BCCH giống nhau thì BISC phải khác nhau
Cấu trúc như sau:  NCC(Network Color Code) 3 bit tương ứng từ 0 đến 7
 BCC(Base Station Color Code) 3 bit tương ứng từ 0 đến 7
2.1.9 CGI-Cell Global Identity
CGI được dung để nhận dạng các cell riêng biệt trong cùng một LA. Nhận dạng cell thực hiện
bằng cách cộng CI với LAC. CI có chiều dài tối đa là 16 bit.
CGI bao gồm:
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang 8 2.2 Tổng quan kiến trúc mạng

AUC

ME được phân biệt bởi số IMEI
Căn cứ vào công suất phát tối đa của MS mà ta phân MS thành các lớp như sau:
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang 9 Những thiết bị di động đầu cuối dùng trong mạng GSM thường là class 3 và 4 đối với băng tần
900 , class 1 và 2 đối với băng tần 1800(DCS). Những class khác dùng cho những thiết bị lắp đặt
cố định hay lắp trên xe
2.2.2 BSS-Base Station Subsystem
2.2.2.1 BTS-Base Transceiver
BTS gồm có
 Các TRX có chức năng phát và nhận tín hiệu
 Các thiết bị điều khiển và xử lý tín hiệu
 Các cáp feeder và anten
Hiện nay 1 BTS gồm có 3 anten đặt theo 3 hướng khác nhau. Mỗi anten tại ra một
vùng phủ sóng nhỏ gọi là cell. Nhiều cell tạo thành 1 LA. Tùy theo lọai thiết bị BTS mà
cho phép 1 cell có thể có tối đa bao nhiêu TRX
Chức năng của BTS là tạo ra vùng họat động cho MS
2.2.2.2BSC-Base Station Controller
BSC thực hiện các chức năng chính sau:
 Cấp phát kênh vô tuyến
 Quản lý tài nguyên vô tuyến
 Duy trì cuộc gọi như giám sát chất lượng, điều khiển công suất phát của MS

 Home Location Register (HLR)
 Authentication Centre (AuC)
 Equipment Identity Register (EIR)
 Gateway MSC (GMSC)
Những thành phần này được kết nối bằng mang SS7
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang
11

2.2.3.1 MSC-Mobile Switching Centre
Một MSC là 1 tổng đài thực hiện chức năng:
 Chuyển mạch, điều khiển và ghi lại cuộc goi
 Giao diện với PSTN, ISDN, PSPDN
 Quản lý tính di động
 Quản lý 1 phần tài nguyên vô tuyến như handover giữa các BSC
 Thông tin tính cước
Một MSC quản lý nhiều BSC nên vùng quản lý của MSC là tòan bộ vùng phủ của các
BTS thuộc quyền quản lý của các BSC đó
2.2.3.2VLR-Visitor Location Register
VLR là 1 cơ sở dữ liệu phục vụ cho các thuê bao mà hiện thời đang nằm trong vùng
phục vụ của 1 MSC. Mỗi MSC trong mạng sẽ kết hợp với 1 VLR nhưng 1 VLR có thể
phục vụ nhiều MSC. Nhưng hiện nay thì mỗi VLR được tích hợp trong 1 MSC. Một MS
di chuyển trong vùng phục vụ của 1 MSC được điều khiển bởi VLR kết hợp với MSC đó.
Thông tin trên VLR cập nhật tự động

 Địa chỉ MSC-VLR
 Các dịch vụ cộng thêm
 MSRN
 Thông tin thuê bao
 Những giới hạn dịch vụ
Cùng với AuC, HLR kiểm tra tính hợp lệ của thuê bao
Lưu ý:VLR cho biết MS thuộc LAI nào nhưng HLR chỉ cho biết MS thuộc vùng quản
lý của MSC-VLR nào
2.2.3.4AUC-Authentication Centre
AuC được kết hợp với HLR, chứa khóa nhận thực của các thuê bao đã đăng ký trong
HLR
Khóa này được dùng để tạo ra:
 Dữ liệu được dùng để nhận thực 1 MS có quyền truy nhập vào mạng hay
không
 Một khóa được dùng để mật mã thông tin trên đường vô tuyến giữa MS và
mạng
Những thủ tục được dùng cho nhận thực và mã hóa sẽ được miêu tà đầy đủ hơn ở
chương an tòan trong GSM
2.2.3.5GMSC-Gateway Mobile Switching Centre
GMSC là 1 thiết bị định tuyến lưu lượng trong 1 mạng di động đến đích đến
GMSC truy cập HLR của mạng để tìm xem thuê bao di động được gọi thuộc MSC-
VLR nào
Một MSC riêng biệt có thể đóng vai trò như 1 GMSC
Nhà điều hành mạng có thể dùng 1 hay nhiều GMSC
GMSC định tuyến cuộc gọi giữa các MSC hay giữa MSC với mạng ngòai
2.2.3.6EIR-Equipment Identity Register
EIR là 1 cơ sở dữ liệu lưu trữ các số IMEI. Trong đó có 3 danh sách:
 Danh sách trắng là những số IMEI được phép kết nối với mạng
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM


2.3.3 Giao diện B
Đây là giao diện giữa MSC và VLR. Dùng trong các trường hợp sau:
 Bất cứ khi nào MSC cần dữ liệu liên quan đến 1 MS đang nằm trong vùng phục vụ của
nó, nó sẽ truy vấn VLR
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang
14
 Khi 1 MS thực hiện 1 thủ tục cập nhật vị trí với 1 MSC, MSC sẽ nhắc nhở VLR của nó
cất giữ thông tin liên quan
 Khi 1 thuê bao kích họat 1 dịch vụ cộng thêm đặc biệt nào đó hay bổ sung 1 vài dữ liệu
về 1 dịch vụ, MSC sẽ yêu cầu (thông qua VLR) HLR cất giữ các thông tin bổ sung này và
HLR cập nhật cho VLR nếu được yêu cầu
2.3.4 Giao diện C
Đây là giao diện giữa MSC và HLR. GMSC phải truy vấn HLR lấy thông tin định tuyến cho 1
cuộc gọi hay 1 tin nhắn đến thuê bao
2.3.5 Giao diện D
Đây là giao diện giữa VLR và HLR. Giao diện này được dùng để trao đổi dữ liệu liên quan
đến vị trí thuê bao và để quản lý thuê bao. Dịch vụ chính của 1 thuê bao di động là thiết lập hay
nhận cuộc gọi trong 1 mạng. Để hổ trợ dích vụ này, các thanh ghi vị trí phải trao đổi dữ liệu với
nhau
Khi MS di chuyển sang MSC khác, VLR thông báo cho HLR biết vị trí của MS và cung cấp
cho nó (khi thiết lập cuộc gọi) số roaming của MS đó. HLR gửi cho VLR tất cả thông tin để hổ trợ
dịch vụ của MS đó. HLR sau đó yêu cầu VLR cũ hủy bỏ thông tin vị trí của MS đó
Việc trao đổi thông tin có thể xảy ra khi:

Đây là giao diện giữa HLR và AuC. Khi HLR nhận 1 yêu cầu cung cấp dữ liệu cho nhận thực
và mật mã cho 1 MS, HLR không giữ dữ liệu yêu cầu, HLR sẽ yều cầu dữ liệu từ AuC. Giao thức
này được dùng để truyền dữ liệu trên giao diện này
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang
16
Phần 3: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN
3.1 Giới thiệu
Giao diện vô tuyến là giao diện giữa đầu cuối di động (MS) và trạm thu phát gốc
(BTS) mà nó được truy nhập.
3.2 Cấp phát phổ tần trong GSM
3.2.1 Phổ trong thông tin di động
Phổ vô tuyến là một tài nguyên giới hạn
Các dải tần đang sử dụng trong thông tin di động

Toàn bộ phổ vô tuyến được chia thành các băng tần như VHF, UHF…băng tần
UHF được sử dụng trong thông tin di động.
Cấp phát tần số
Các yếu tố để chọn băng tần sử dụng:
 Vị trí
 Mức công suất

200KHz. Do đó có 125 sóng mang cho mỗi băng tần lên, xuống. Trong đó, một kênh
được dùng như kênh bảo vệ, điều này làm giảm số kênh còn 124 kênh.
Hai tần số ấn định cho mỗi cặp kênh cách nhau 45MHz.
Mỗi cặp tần số được nhận dạng bởi một số ARFCN (Absolute Radio Frequency
Channel)
Tính toán tần số kênh đường lên và xuống:
 Các tần số uplink: Ful (n) = 890 MHz + (0,2 MHz) × n
 Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz
n = ARFCN với 1 n  124
3.2.3 Phổ E-GSM (Extended-GSM)
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang
18

E-GSM cấp thêm 10MHz của băng thông tại đầu cuối của băng tần đường lên và
xuống. Các băng tần như sau:
 Đường uplink: 880MHz đến 915MHz
 Đường downlink: 925MHz đến 960MHz
Kết quả:
Thêm 50 cặp sóng mang (các kênh 10MHz/200KHz)
Giảm khoảng cách băng thông giữa băng tần đường lên và đường xuống từ 20MHz
xuống10MHz.
Tăng kích thước băng tần đường lên và xuống từ 25MHz lên 35MHz
Cấp dãy sóng mang tần số vô tuyến mới từ 975-1023.

(512<=n<=885)
 Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 95 MHz
Sử dụng băng tần 1800MHz tại UK
Việc phân bố các tần số tại UK hiện tại của các nhà khai thác là: Biểu đồ phổ này cho thấy cách phân bố băng tần 1800MHz giữa các nhà khai thác
tại UK.

3.2.5 Phổ PCS-1900 TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang
20
Hệ thống thông tin riêng (PCS)-1900MHz được dùng tại USA và Trung Mỹ để
cung cấp dịch vụ tương tự như GSM. Băng tần 1900MHz được chọn tại USA vì thiếu
băng tần 1800. Mỗi dải tần đường lên và xuống là 60MHz, khoảng cách giữa 2 dải tần
là 20MHz.
 Băng tần uplink: 1850MHz đến 1910MHz
 Băng tần downlink: 1930MHz đến 1990MHz
Mỗi băng được chia thành các sóng mang 200KHz, do đó, có 299 sóng mang trong
mỗi băng đường lên và xuống. Số kênh trong dải 512-810 (ARFCNs)
Cặp kênh ấn định được sắp xếp ở 2 tần số cách nhau 80MHz.

3.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Chia phổ tần số có sẳn thành các kênh, mỗi kênh sử dụng hoàn toàn một băng thông
Việc phân chia kênh đạt được bởi các bộ lọc:
 Tính chọn lọc tốt
 Các băng bảo vệ giữa các kênh
Mỗi user truy nhập vào mạng trên 1 tần số khác nhau .
Chỉ một người dùng trên kênh tần số tại một thời điểm
Hạn chế:
 Dung lượng không cao do tài nguyên băng thông hạn chế
 Nhiễu xuyên kênh cao
3.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Truy nhập vào phổ được giới hạn trong các khe thời gian
Mỗi user được cấp phát phổ trong suốt một khe thời gian
Các khe thời gian được lặp lại trong các khung.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang
22

TDMA được phép sử dụng trong các hệ thống số như GSM mà các luồng dữ liệu có
thể được chia thành các cụm và được ấn định vào một khe thời gian.
3.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập sử dụng trong GSM

GSM sử dụng kết hợp cả 2 kỹ thuật đa truy nhập FDMA và TDMA trên giao diện

Một kênh vật lý (một khe thời gian) có thể hỗ trợ:
1 TCH/F (Full rate) hay 2 TCH/H (Half rate)
 TCH/F: mang thông tin ở tốc độ 13Kbps voice hay 9.6Kbps data, được cấp phát
hoàn toàn kênh vật lý trên một khe thời gian trong khung TDMA.
 TCH/H: mang thông tin ở tốc độ 6.5Kbps voice hay 4.8Kbps data, 2 kênh lưu
lượng được ấn định trên 1 kênh vật lý đơn.
Đồng bộ đường lên/xuống
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM
Trang
24
 MS phát cụm trễ 3 khe thời gian sau cụm từ BTS. Trễ này cho phép:
 Sử dụng cùng số khe thời gian cho trong khung TDMA cho cả đường lên và
xuống.
 Cho phép thời gian trể (TA) mà có thể giảm trể 3 khe thời gian.
 Cung cấp thời gian cho MS để chuyển giữa các chế độ thu và phát
3.4.2 Các kênh quảng bá (BCH)
Tất cả các kênh thuộc kênh BCH (kênh tần số điều khiển) chỉ được sử dụng cho
đường xuống và được cấp phát trên khe thời gian 0 (TS0). Các kênh BCH gồm:
 Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency control channel) gởi đến MS 1 cụm tất
cả các bit “0” hoạt động như một mào đầu và cho phép MS hiệu chỉnh tần số
đường xuống và đồng bộ thời gian.
 Kênh đồng bộ SCH (Synchronisation channel) cho phép đồng bộ số khung TDMA
bằng việc gởi giá trị tuyệt đối của số khung (FN) cùng với mã nhận dạng trạm gốc
BSIC.

 Kênh điều khiển dành riêng SDCCH (Standalone Dedicated Channel) được dùng
để thiết lập cuộc gọi, cập nhập vị trí và SMS.
 Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Associated Control Channel) sử
dụng cho cả đường lên để gởi các bản tin đo và đường xuống để gởi các lệnh điều
khiển công suất và các lệnh chuyển giao cuộc gọi.
 Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (Fast Associated Control Channel) được
dùng (khi cần) cho báo hiệu cuộc gọi, chủ yếu cho việc phát các bản tin chuyển
giao và để nhận biết khi một TCH được ấn định.
3.5 Cấu trúc khung, đa khung
3.5.1 Khái niệm đa khung
Đa khung được dùng để mô tả sự lặp lại các TS, được phát liên tục trên một kênh
vật lý.
3.5.2 Đa khung kênh lưu lượng (TCH)
Khi một user được ấn định một TS trong một khung TDMA cho một cuộc gọi,
thông thường user dành riêng TS (lưu lượng toàn tốc) trong suốt cuộc gọi. Vì vậy,
user phát một cụm dữ liệu trên 1 TS của khung TDMA. Tuy nhiên sau 12 cụm được
gởi, 1 cụm kênh logic SACCH được chèn vào và sau 12 cụm lưu lượng được gởi tiếp
thì một cụm rỗi (idle burst) được chèn. Điều này được lặp lại liên tục cứ sau 26 cụm
đến khi kết thúc cuộc gọi. Sự lặp lại 26 cụm kênh lưu lượng được xem là đa khung
kênh lưu lượng. Cụ thể:

Đa khung TCH bao gồm 26 TS
Đa khung TCH ánh xạ các kênh logic sau: TCH, SACCH, FACCH
Ngoài các TS TCH va SACCH, kênh lưu lượng cũng mang thông tin FACCH.
FACCH là kênh logic duy nhất không dành riêng TS truyền dẫn. FACCH đánh cắp TS
của TCH khi được yêu cầu.
3.5.2.1 Thời gian của một đa khung TCH
Một đa khung là sự thiết lập liên tục của cùng một TS trong khung TDMA.
Chu kỳ khung TDMA là 4.615ms, do đó, thời gian cho 1 đa khung được tính là:
chiều dài của đa khung (các TS) x 4.615ms.