1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong
luận văn là trung thực. Tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này trƣớc
Viện đào tạo sau đại học – Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội
Ngƣời cam đoan

Nguyễn Đăng Hiếu


2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................7
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................9
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM ...............11
1.1.

Tổng quan......................................................................................................11

1.1.1

Khái niệm .................................................................................................11

1.1.2

Kiến trúc mạng GSM ...............................................................................13


1.4.5

Cụm giả (DB: Dummy Burst) ..................................................................30

1.5.

Kênh Logic ....................................................................................................30

1.5.1

Nhóm kênh lƣu lƣợng (TCH) ...................................................................31

1.5.2

Nhóm kênh điều khiển .............................................................................31

1.6.

Ghép kênh trong GSM ..................................................................................36

1.7.

Kỹ thuật nhảy tần trong GSM .......................................................................36

1.8.

Một số tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho hệ thống GSM ngày nay ...............41

1.8.1


CHƢƠNG 2. ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỄU TRONG MẠNG GSM .......................55
2.1.

Nhiễu trong thông tin di động GSM .............................................................56

2.1.1

Nhiễu trắng (White Gaussian Noise) .......................................................56

2.1.2

Nhiễu đồng kênh (CO - Interference) ......................................................56

2.1.3

Nhiễu kênh lân cận C/A ...........................................................................59

2.1.4

Nhiễu liên ký tự ISI ..................................................................................59

2.1.5

Nhiễu đa truy nhập ...................................................................................62

2.2.

Phƣơng pháp hình thành một số dạng nhiễu .................................................63



Hƣớng tiếp cận ..............................................................................................76

3.4.

Tổng kết chƣơng 3 ........................................................................................77


4

CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁ SÓNG MẠNG GSM 900 VÀ GSM 1800
...................................................................................................................................78
4.1.

Cơ sở lí thuyết ...............................................................................................78

4.1.1

Các mạng thông tin di động ở Việt nam ..................................................78

4.1.2

Gây nhiễu đƣờng lên(uplink) ...................................................................78

4.1.3

Gây nhiễu đƣờng xuống (downlink) ........................................................79

4.1.4


PHỤ LỤC ..................................................................................................................95


5

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
2G
3GPP
8-PSK
AGCH
AUC
BCCH
BSC
BSIC
BSS
BTS
CCCH
CDMA
CGI
CI
DCCH
EIR
FACCH
FCCH
FDD
FSK
GMSC
GMSK
GSM
HLR

Equipment Identity Register
Fast Associated Control Channel
Frequency Correction Channel
Frequency Division Duplex
Frequency Shift Keying
Gateway Mobile Switching Centre
Gaussian Minimum Shift Keying
Global System for Mobile Communications
Home Location Register
International Mobile Equipment Identity
Location Area Code
Location Area Identity
Multiple Access Interference
Mobile Country Code
Mobile Equipment
Mobile Network Code
Mobile Station
Mobile Switching Center
Network Switching Subsystem
Paging Channel
Public Land Mobile Network
Quadrature Amplitude Modulation
Quadrature Phase Shift Keying


6

RACH
RF
RSSI

Bảng 1.9. Công suất ra cực đại của trạm Micro & Pico BTS ...................................45
Bảng 1.10. Mức công suất tại các tần số Offset với MS GSM 900 ..........................47
Bảng 1.11. Mức công suất tại các tần số Offset với BTS GSM 900 ........................47
Bảng 1.12. Mức công suất tại các tần số Offset với Micro BTS GSM 900..............48
Bảng 1.13. Mức công suất tại các tần số Offset với Pico BTS GSM 900 ................48
Bảng 1.14. Mức công suất tại các tần số Offset với MS DCS 1800 .........................48
Bảng 1.15. Mức công suất tại các tần số Offset với BTS DCS 1800 thƣờng ...........49
Bảng 1.16. Mức công suất tại các tần số Offset với Micro BTS DCS 1800 ............50
Bảng 1.17. Mức công suất tại các tần số Offset với Pico BTS DCS 1800 ...............50
Bảng 1.18. Mức phát xạ giả trong băng tần thu của BTS .........................................51
Bảng 1.19. Mức tín hiệu thu......................................................................................52
Bảng 1.20. Độ nhạy tham chiếu của các thiết bị thu GSM .......................................54


7

Bảng 3.1. Bảng so sánh đặc trƣng của các loại thiết bị.............................................76
Bảng 4.1. Dải tần GSM sử dụng cho các mạng di động ở Việt nam ........................78
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Phân cấp cấu trúc địa lí của mạng GSM ...................................................14
Hình 1.2. Kiến trúc chung của mạng GSM (theo Wikipedia.com)..........................16
Hình 1.3. Kiến trúc logic của BSS ............................................................................17
Hình 1.4. Phân kênh RF trong hệ thống GSM900 ....................................................22
Hình 1.5. Pha của tín hiệu sau điều chế phụ thuộc vào bit đầu vào trƣớc liền kề ....24
Hình 1.6. Pha của tín hiệu MSK trong trƣờng hợp h = 1/2.......................................24
Hình 1.7. Giản đồ pha của tín hiệu MSK ..................................................................25
Hình 1.8. Dạng phổ của tín hiệu MSK so với các loại tín hiệu khác ........................26
Hình 1.9. Sơ đồ khối điều chế GMSK ......................................................................26
Hình 1.10. Đáp ứng tần số của MSK với các hệ số WTb khác nhau ........................27
Hình 1.11. Đáp ứng thời gian của MSK với các hệ số WTb khác nhau ...................27

Hình 4.2. Gây nhiễu đƣờng xuống ............................................................................80
Hình 4.3. Bán kính gây nhiễu....................................................................................81
Hình 4.4. Sơ đồ khối thiết bị gây nhiễu ....................................................................83
Hình 4.5. Bộ nguồn xung 28V/10A ..........................................................................84
Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi nguồn 28V sang 5V/3A .....................84
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lí khối tạo xung răng cƣa ...................................................85
Hình 4.8. Tín hiệu ra của khối tạo xung răng cƣa .....................................................86
Hình 4.9. Quan hệ giữa các thông số của khối tạo xung sử dụng IC NE555 ...........87
Hình 4.10. Sơ đồ khối tạo xung răng cƣa có thể điều chỉnh biên độ ........................88
Hình 4.11. Sơ đồ nguyên lý module phá sóng mạng GSM 900 ...............................89
Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý module phá sóng mạng DCS 1800 ..............................89
Hình 4.13. Thiết bị phá sóng hoàn chỉnh ..................................................................90
Hình 4.14. Hình ảnh phổ nhiễu dải GSM900 ...........................................................90
Hình 4.15. Hình ảnh phổ nhiễu GSM1800 ...............................................................91
Hình 4.16. Phổ gây nhiễu GSM ................................................................................91
Hình 4.17. Mạng Viettel, Vinaphone, Mobiphone, Gmobile khi chƣa bật thiết bị ..92
Hình 4.18. Mạng Viettel, Vinaphone, Mobiphone, Gmobile sau khi bật thiết bị .....92


9

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, thông tin di động đã trở thành phƣơng tiện liên lạc phổ biến trên
thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Vai trò to lớn của thông tin di động
ngay càng đƣợc khẳng định. Tuy nhiên, bên cạch những lợi ích mà nó mang lại thì
còn có những mặt tiêu cực cần phải đƣợc hạn chế. Trong những năm gần đây việc
sử dụng thông tin di động phục vụ cho mục đích khủng bố ngày càng phát triển,
phƣơng thức hoạt động đa dạng và tinh vi. Ngoài ra nó còn đƣợc sử dụng trong các
hoạt động chỉ huy, điều khiển biểu tình, chống phá và lật đổ chống chính quyền.
Hơn nữa nó còn đƣợc sử dụng để nghe lén ở các cuộc họp, hội nghị quan trong. Vì

11

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM
1.1.

Tổng quan

1.1.1 Khái niệm
GSM trƣớc đây đƣợc biết nhƣ Groupe Spéciale Mobile (nhóm di động đặc
biệt), là nhóm đã phát triển nó, đƣợc thừa kế từ sự bắt đầu nhƣ một dịch vụ tế bào
số quốc tế. Giao tiếp vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA. Ý định ban đầu
là các thuê bao GSM có khả năng di chuyển qua các biên giới quốc gia sẽ nhân
đƣợc các dịch vụ di động và các tính năng đi theo cùng họ.
Kiểu GSM của Châu Âu hiện nay hoạt động ở tần số 900 MHz cũng nhƣ tần
số 1800 MHz. Ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng cho dịch vụ PCS 1900 tại vung đông bắc
California và Nevada. Do PCS 1900 sử dụng tần số 1900 MHz, nên các điện thoại
không có khả nặng kết nối với điện thoại hoạt động ở tần số 900 MHz hay 1800
MHz. Tuy nhiên vấn đề này có thể khắc phục đƣợc với các máy điện thoại đa băng
thông rộng hoạt động trong nhiều tần số.
Vào đầu năm 1980, thị trƣờng hệ thống điện thoại tế bào tƣơng tự đã phát
triển triển rất nhanh ở Châu Âu. Mỗi một nƣớc đã phát triển một hệ thống tế bào
độc lập với các hệ thống ở các nƣớc khác. Sự phát triển không đƣợc hợp tác của các
hệ thống thông tin di động quốc gia có nghĩa là nó không có khả năng cho thuê bao
sử dụng cùng một máy di động cầm tay khi di chuyển trong Châu Âu. Không chỉ
các thiết bị di động cầm tay bị hạn chế khai thác trong biên giới quốc gia, mà còn có
một thị trƣờng rất hạn chế đối với mỗi kiểu thiết bị, vì vậy tiết kiệm chi phí có thể
không thực hiện đƣợc. Ngoài một thị trƣờng trong nƣớc đầy đủ với các mẫu chung,
có thể không có một nhà chế tạo nào cạnh tranh đƣợc trên thị trƣờng thế giới. Hơn
nữa, chính phủ các nƣớc nhận thức rõ là các hệ thống thông tin không tƣơng thích
có thể cản trở tiến trình để đạt đƣợc một tầm nhìn chiến lƣợc của họ về một Châu

đƣợc dùng để thực hiện PCS. Đến cuối năm 1998 đã có 323 mạng GSM ở 118 nƣớc
phục vụ cho 138 triệu thuê bao. Hiện nay, hệ thống GSM đƣợc gọi là hệ thống
thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobilephone).
Mạng thông tin di động GSM là mạng thông tin di động số Cellular gồm
nhiều ô (cell). Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng, có hình dạng (trên lý thuyết) là một
tổ ong hình lục giác. Trong mỗi cell có một đài vô tuyến gốc BTS (Base
Transceiver Station) liên lạc với tất cả các trạm di động MS (Mobile Station) có mặt


13

trong cell. Khi MS di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của cell, nó phải đƣợc chuyển
giao sang làm việc với BTS của cell khác.
Đặc điểm của hệ thống thông tin di động Cellular là việc sử dụng lại tần số
và diện tích của mỗi cell khá nhỏ. Mỗi cell sử dụng một nhóm tần số kênh vô tuyến.
Các chữ cái A, B, C…vừa là tên của cell, vừa biểu thị một nhóm xác định các tần số
vô tuyến đƣợc sử dụng trong cell đó. Nhóm tần số đƣợc sử dụng nhiều lần cho các
cell với khoảng cách đủ lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau không đáng
kể.
Thông thƣờng, một cuộc gọi di động không thể kết thúc trong một cell nên
hệ thống thông tin di động cellular phải có khả năng điều khiển và chuyển giao
(handover) cuộc gọi từ cell này sang cell lân cận mà cuộc gọi đƣợc chuyển giao
không bị gián đoạn.
1.1.2 Kiến trúc mạng GSM
1.1.2.1 Kiến trúc địa lí
Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi
đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi. Ở một mạng di động, cấu
trúc này rất quan trọng do tính lƣu thông của các thuê bao trong mạng. Trong hệ
thống GSM, mạng đƣợc phân chia thành các phân vùng nhƣ trong hình 1.1:


Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, mà ở đó một trạm di động
có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài
MSC/VLR điều khiển vùng định vị này. Vùng định vị này là một vùng mà ở đó
thông báo tìm gọi sẽ đƣợc phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi. Vùng
định vị LA đƣợc hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động.
Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng
định vị LAI (Location Area Identity):
LAI = MCC + MNC + LAC
Trong đó: MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia
MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động
LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị (16 bit)
d. Ô phần tử - Cell
Vùng định vị đƣợc chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thì
không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng. Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là
một vùng phủ sóng vô tuyến đƣợc nhận dạng bằng nhận đạng ô toàn cầu (CGI).
Mỗi ô đƣợc quản lý bởi một trạm vô tuyến gốc BTS.
CGI = MCC + MNC + LAC + CI
Trong đó: CI (Cell Identity): Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định
vị.Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc
BSIC (Base Station Identification Code).
1.1.2.2. Kiến trúc vật lí
Hệ thống GSM bao gồm 3 hệ thống cơ bản: hệ thống chuyển mạch SS, hệ
thống trạm gốc BTS và trạm di động MS. Mổi hệ thống này chứa một số chức năng


16

khác nhau nhƣ: chuyển mạch, quản lý nhận dạng thiết bị, tính cƣớc .vv... tạo nên
một hệ thống mạng di động liên kết.


máy điện thoại di động, quản lý chất lƣợng truyền và nhận thông qua giao tiếp bằng
sóng cao tần (air interface). Phân hệ này bao gồm 2 thành phần chính sau:

Hình 1.3. Kiến trúc logic của BSS
 Trạm thu phát cơ sở (BTS – Base Transceiver Station)
Một BTS bao gồm thiết bị thu/phát, anten, và bộ xử lý tín hiệu đặc thù cho
giao diện vô tuyến. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thuê bao MS, trao
đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến. Có thể gọi BTS là các môdem vô
tuyến phức tạp có thêm các chức năng khác. Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu
vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào cell. Một bộ phận quan trọng của BTS là


18

khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU. TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình
mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GMS đƣợc tiến hành, tại đây cũng thích
ứng tốc độ trong trƣờng hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS nhƣng
cũng có thể đƣợc đặt xa BTS và thậm chú còn đặt trong BSC và MSC. TRAU thực
hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM
thành các kênh thoại tiêu chuẩn (64 Kb/s) trƣớc khi đến tổng đài, nó đƣợc điều
khiển bởi BTS.
 Bộ điều khiển trạm gốc (BSC – Base Station Controller)
Khối BSC là khối điều khiển trạm gốc nó có nhiệm vụ quản lý tất cả các giao
diện vô tuyến qua các lệnh điều khiển từ xa. Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định,
giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao. Một phía BSC đƣợc nối với BTS còn
phía kia đƣợc nối với MSC của phân hệ SS. Trong thực tế BSC đƣợc coi nhƣ là một
tổng đài nhỏ, có khả năng tính toán đáng kể. Vai trò chính của nó là quản lý các
kênh ở vô tuyến và chuyển giao. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn
giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A.bis.
Các chức năng chính của BSC:


thuê bao và quản lý di

động thuê bao. Chức năng chính của nó là quản lý thông tin giữa những ngƣời sử
dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.
Phân hệ chuyển mạch (SS) cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng
khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu

cho ngƣời sử

dụng hay báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM. Chẳng hạn SS có thể sử dụng
mạng báo hiệu kênh chung số 7, mạng này đảm bảo hoạt động giữa các phần tử của
SS trong một hay nhiều mạng GSM.
d. Trung tâm chuyển mạch di động (Mobile Switching Center)
MSC thƣờng là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý các bộ điều khiển
trạm gốc BSC. Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị và vùng ngoại ô
có dân cƣ khoảng 1 triệu ( với mật độ thuê bao trung bình ). MSC thực hiện chức
năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi
đến những thuê bao của GSM, một mặt GSM giao tiếp với phân hệ BSS mặt khác
giao tiếp với mạng ngoài thông qua cổng G-MSC (Gateway - MSC).
e. Bộ ghi định vị thường trú (HLR – Home Location Register)
HLR lƣu giữ những số liệu cố định của thuê bao di động trong mạng nhƣ
SIM, các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, không phụ
thuộc vào vị trí hiện thời của các thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời
của các thuê bao. Thƣờng HLR là một máy tính đứng riêng, không có khả năng


20

chuyển mạch nhƣng có khả năng quản lý hàng trăm nghàn thuê bao. Một chức năng

i.

Tổng đài di động cổng (GMSC – Gateway Mobile Switching Center)


21

Tất cả các cuộc gọi vào cho mạng GSM/PLMN sẽ đƣợc định tuyến cho tổng
đài vô tuyến cổng G-MSC. Nếu môt ngƣời nào đó ở mạng cố định PSTN muốn thực
hiện cuộc gọi vào mạng GSM/PLMN : Tại tổng đài PSTN sẽ kết nối cuộc gọi này
đến MSC có trang bị một chức năng gọi là chức năng cổng. Tổng đài MSC này còn
gọi là tổng đài MSC cổng, và nó có thể là một MSC bất kỳ ở mạng GSM. G-MSC
sẽ phải tìm ra vị trí của MS cần tìm. Điều này sẽ đƣợc thực hiện bằng cách hỏi HLR
nơi MS đăng ký. HLR sẽ trả lời khi đó MSC này sẽ định tuyến lại cuộc gọi đến
MSC cần thiết. Khi cuộc gọi đến MSC này VLR sẽ xác định rõ hơn về vị trí của
MS. Nhƣ vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM khi có sự khác biệt giữa
thiết bị vật lý và đăng ký thuê bao.
1.2.

Giao diện vô tuyến của GSM

GSM là một hệ thống TDMA/FDD với phƣơng pháp điều chế GMSK
(Gaussian Minimum Shift Keying). TDMA có nghĩa là nhiều nggƣời sử dụng chia
sẻ một kênh cao tần cho trƣớc trên cơ sở thời gian. FDD có nghĩa là hƣớng lên (từ
MS tới mạng) và hƣớng xuống (từ mạng tới MS) sử dụng các tần số khác nhau.
GSM đã đƣợc triển khai ở nhiều dải tần khác nhau, bao gồm dải tần
900MHz, 1800MHZ và 1900 MHz. Bảng sau liệt kê dải tần của các hệ thống khác
nhau đã đƣợc triển khai trên thế giới.
Bảng 1.1. Dải tần của các hệ thống GSM khác nhau đã đƣợc triển khai
GSM 900

tổng cộng 124 sóng mang. Tƣơng tự hệ thống DCS 1800 có tối đa 374 sóng mang
và hệ thống PCS 1900 có tối đa 299 sóng mang.
Nhƣ đã nói ở trên, ở GSM, một dải tần cho trƣớc đƣợc chia thành một số
kênh RF, mỗi kênh 200kHz ở cả hƣớng lên và hƣớng xuống. Vì vậy, nếu một máy
cầm tay đang truyền trên một sóng mang 200kHz ở đƣờng lên, thì máy này sẽ nhận
tín hiệu trên một sóng mang 200 kHz tƣơng ứng ở đƣờng xuống. Một cell trong hệ
thống GSM có thể có nhiều sóng mang RF - điển hình từ một tới ba trong hệ thống

uplink

downlink

890MHz

915MHz

0

124

935MHz

0

960MHz

124

tải bình thƣờng, nhƣng có thể lên tới sáu trong các cell có nhu cầu lƣu lƣợng lớn
Hình 1.4. Phân kênh RF trong hệ thống GSM900


(1.1)

2 Eb
cos(2 fc t   (t))
Tb

Trong đó

 ( t )   ( 0) 

h

Nếu xung đầu vào trƣớc là 1

Tb
h
Nếu xung đầu vào trƣớc là 0
 ( t )   ( 0) 
Tb
Giả sử rằng chuỗi bit dữ liệu đƣợc đƣa vào điều chế là 11101000, pha của tín


24

hiệu sau điều chế sẽ đƣợc thay đổi nhƣ hình vẽ 1.5:
Hình 1.5. Pha của tín hiệu sau điều chế phụ thuộc vào bit đầu vào trƣớc liền kề
Nếu giả sử rằng h = 1/2, pha của tín hiệu sẽ thay đổi từng bƣớc với giá trị là
/2 trong phạm vi từ –  đến 


t )sin(2 fc t)
Tb
2 Tb

2

cos(
t )cos(2 fc t)
Tb
2 Tb

Và:
+ s1  Eb cos( (0)) trên đoạn: – Tb  t  Tb

(1.3)


25

+ s2  Eb sin( (Tb )) trên đoạn: 0  t  2Tb
Trong phƣơng trình trên, S1 và S2 chỉ phụ thuộc vào (0) và (Tb) mỗi tham
số trên chỉ có thể 1 trong 2 giá trị, nhƣ vậy sẽ có 4 khả năng xảy ra nhƣ sau:
-

Nếu (0) = 0 và (Tb) = /2 thì bit đầu vào trƣớc đó là 1

-

Nếu (0) =  và (Tb) = /2 thì bit đầu vào trƣớc đó là 0