Hệ thống GSM
™ NỘI DUNG:
) 1. Giới thiệu tổng quan về GSM
) 2. Cấu trúc địa lý của hệ thống
) 3. Cấu trúc khối hệ thống
) 4. Giao diện vô tuyến của hệ thống GSM
GV: Trần Nhựt Khải Hoàn
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 1

Tài liệu tham khảo
) Raymond Steele, Chin Chun Lee and Peter Gould - GSM
CdmaOne & 3G systems - Chapter 2 & 3 - John Wiley &
Son Ltd - 2001
) Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking Morgan Kaufmann - 2007
) Hoàng Anh Dũng - Tối ưu hoá hệ thống di động GSM - Đồ
án tốt nghiệp 2007 - Đại học Bách khoa Hà Nội

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 2


1. Tổng quan về GSM
™

Bối cảnh: Nhiều hệ thống tế bào không tương thích

™

⇒ CEPT → GSM - Groupe Special Mobile (1982): Nhằm định nghĩa hệ thống
di động xuyên châu Âu

™

1987: thoả thuận sơ bộ MoU GSM được 13 nhà khai thác ký kết → đổi tên
GSM (Global System for Mobile communication);

™

1989: có 296 nhà vận hành ở 110 quốc gia ký kết MoU → ETSI (European
Telecommunications Standards Institute) chuẩn hoá

™

1990: Tiêu chuẩn GSM giai đoạn 1

™

1991: Ra đời ở Châu Âu, ứng dụng thoại và SMS

™

1997: GSM giai đoạn 2; fax và dữ liệu dễ dàng

™

1998: Hoàn chỉnh GSM; nhiều dịch vụ ra đời, GPRS
Bài giảng Mạng TT di động


Slice 3

2. Cấu trúc địa lý hệ thống GSM

PLMN: Public Land Mobile Network
MSC: Mobile Service Switching Center
Nguồn: Hoàng Anh Dũng - Đồ án tốt nghiệp - Tối ưu hoá hệ thống GSM

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 4


Ý nghĩa các vùng
™ Vùng phục vụ GSM: toàn bộ vùng các quốc gia thành viên sử dụng hệ
thống GSM; những máy di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở
có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới.
™ Vùng PLMN: là vùng của một nhà cung cấp dịch vụ di động, trong 1
quốc gia có thể có 1 hay nhiều vùng.
™ Vùng MSC: là vùng được quản lý bởi 1 MSC; 1 PLMN có thể có 1 hay
nhiều MSC
™ Vùng định vị LA (Location Area): vùng mà MS có thể di chuyển tự do mà
không cập nhật vị trí cho MSC/VLR điều khiển vùng định vị này. Vùng định
vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR.
™ Cell: Vùng mà ở đó MS có thể di chuyển mà không cần cập nhật vị trí

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 5


Sự phân vùng và chia ô
VLR: Visitor Location Register
Bộ ghi định vị tạm trú
MSC:Mobile Service Switching
Center - Tổng đài di động
GMSC: Gateway MSC
LA: Location Area - Vùng định vị
LAI: Location Area Identifier Số
nhận dạng vùng định vị
LAI = MCC + MNC + LAC
MCC: Mobile Country Code
MNC: Mobile Network Code
LAC: Location Area Code
Nguồn: Hoàng Anh Dũng - Đồ án tốt nghiệp - Tối ưu hoá hệ thống GSM

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 6


3. Cấu trúc khối hệ thống GSM

OMC: Operations & Maintenance Centre

ME: Mobile Equipment

AUC: Authentication Centre

SIM: Subscriber Identity Module


EIR: Equipment Identity Register

HLR: Home Location Register

Nguồn: Hoàng Anh Dũng - Đồ án tốt nghiệp - Tối ưu hoá hệ thống GSM

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 7

Cấu trúc khối hệ thống GSM

ADC: Administration Center
NMC: Network Management Center
Nguồn: Raymond Steele, Chin Chun Lee and Peter Gould - GSM CdmaOne & 3G systems - Chapter 2
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 8


Các thành phần của GSM

) MS: Mobile Station
) BSS: Base Station Subsystem
) SS: Switching Subsystem
) OSS: Operation & Support Sybsystem

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 9


MS: Mobile station
) Gồm ME (Mobile Equipment) và SIM (Subscriber
Identity Module)
) Các ME được phân biệt bởi IMEI (International Mobile
Equipment Identity)
) SIM là Non-volatile memmory chứa IMSI (International
Subcriber Identity), mật mã (PIN) để xác thực, ngôn
ngữ hiển thị, cipher key generation algorithm và các
thông tin khác
) IMSI: không quá 15 số thập phân, bao gồm:
) 3 số đầu là MCC (Mobile country code)
) 2 số kế là MNC (Mobile network code)
) Các số còn lại là MSIN (Mobile Subscriber Identification
Number)
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 10


BSS: Base station subsystem
) BTS (Base Transceiver Station): giao tiếp với MS
qua giao diện radio Um
) Hoạt động như một modem radio
) Một BTS xác định vùng phủ sóng của 1 cell
) Đóng vai trò phụ trong việc định vị MSs

) BSC (Base Station Controller): quản lý BTSs
) Thiết lập và giải phóng kết nối với MSs
) Quản lý Handover

) Điều khiển công suất phát của MSs
) Có thể quản lý đến 40 BTSs
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 11

SS: Switching Subsystem
) MSC (Mobile Services Switching Center)
và GMSC (Gateway MSC)
) Cơ sở dữ liệu của hệ thống GSM:
) HLR (Home Location Register)
) AuC (Authentication Center)
) VLR (Visitor Location Register)
) EIR (Equipment Identity Register)

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 12


MSC (Mobile Services Switching Center)
) là tổng đài quản lý và điều khiển các BSCs
) là nơi chuyển mạch của tất cả các cuộc gọi tới/ từ MSs (như
tổng đài cố định)
) Quản lý di chuyển của MSs: location registration và Handover
) Mỗi MSC có thể quản lý vài chục BSCs; và vài trăm ngàn MSs
) Giao diện A với BSCs và E với MSCs khác → Operators có thể
sử dụng MSCs của nhiều nhà sản xuất khác nhau
) Gateway-MSC dùng để giao tiếp với các mạng khác


Bài giảng Mạng TT di động

Slice 13

HLR (Home Location Register)
) Lưu trữ lâu dài thông tin chi tiết của mỗi MS,
bao gồm:
) Các dịch vụ mà thuê bao có thể truy nhập
) Thông tin chi tiết về vùng MSC đang quản lý MS
) Các thông tin nhận dạng MSs: IMSI (International
Subcriber Identity) và MSISDN (Mobile station
international ISDN)

) Mỗi thuê bao GSM đều có 1 CSDL trong HLR
) HLR kết nối với MSC bằng giao diện C

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 14


AuC (Authentication center)

) Lưu trữ các thông tin phục vụ cho các chức
năng bảo mật của GSM
) Cung cấp cho HLR các thông số:
) Thông tin nhận thực thuê bao
) Mã hoá kênh vô tuyến
) Các thông tin về mã khoá và giải thuật an ninh mạng


) Chỉ giao tiếp với HLR qua giao diện H

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 15

VLR (Visitor Location Register)
) Gắn liền với MSC(s)
) Lưu trữ tạm thông tin của MSs mà MSC(s)
tương ứng đang quản lý, bao gồm:
) Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN
) Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS
) Danh sách các dịch vụ mà MS được và bị hạn chế
sử dụng
) Trạng thái của MS ( bận: busy; rỗi: idle)

) Các giao diện: D với HLR, B với MSC và G
với VLRs khác
) Ch.năng: CSDL p.bố, hạn chế truy cập HLR
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 16


EIR (Equipment Identity Register)
) Kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua IMEI
) EIR phân loại IMEI làm 3 danh sách:
) White list: MS có quyền truy cập và sử dụng dịch
vụ của hệ thống
) Grey list: có nghi vấn, cần kiểm tra

) Black list: cấm không cho truy nhập hệ thống

) Các MS bị cấm vẫn sử dụng được
Emergency calls
) Hệ thống kiểm tra IMEI ở thời điểm bất kỳ
) EIR kết nối với MSC qua giao diện F
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 17

OSS: Operation & Support Sybsystem
) là thành phần quan trọng của hệ thống viễn thông
) Phát hiện và xử lý sự cố nhanh chóng và hiệu quả
) Bao gồm 3 thành phần:
) khai thác & bảo dưỡng mạng (OMC: Operations & Maintenance
center); gắn liền với NSS và BSS
) quản lý mạng và tính cước (NMC: Network Management Center)
) điều hành (ADC: Administration Center)

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 18


4. Giao diện vô tuyến - Radio interface
™ Định nghĩa phương thức MS thông tin với BTS
™ Nội dung:
) Sơ đồ điều chế và Tần số sử dụng trong các hệ thống GSM
) Điều chế GMSK
) Tần số sử dụng và vị trí sóng mang

) Công suất phát của MS và BTS
) Suy hao đường truyền và cách tính
) Các kênh vật lý và logic trong hệ thống
) Quá trình coding, interleaving, & cyphering
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 19

Sơ đồ điều chế

Nguồn: Raymond Steele, Chin Chun Lee and Peter Gould - GSM CdmaOne & 3G systems - Chapter 2
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 20


Điều chế GMSK
™ GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying
™ GMSK là 1 dạng continuous-phase frequency shift keying
™ MSK giống như O-QPSK, Q-channel bị làm trễ ½ symbol =>
Pha thay đổi trong giới hạn ±π/2
™ Tần số thay đổi trong khoảng giữa 2 tần số f1 và f2:

™ Với Rb là tốc độ điều chế, #271Kb/s
™ Bộ lọc Gaussian dùng lọc tín hiệu điều chế để pha của GMSK
thay đổi chậm hơn
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 21


Dạng của MSK

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 22


h(t) và H(f) của Gaussian Filter

Chú ý:
) h(t) đã được chuẩn hoá cho T, và H(f) đã được chuẩn hoá cho 1/T
) T là chu kỳ bit, BTb thường được chọn từ 0.3 đến 0.5
Nguồn: Raymond Steele, Chin Chun Lee and Peter Gould - GSM CdmaOne & 3G systems - Chapter 2
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 23

Pulse response của Gaussian Filter

™ Hình vẽ là đáp ứng của xung vuông có độ rộng T
™ Độ rộng xung ngõ ra trãi rộng 3T
Nguồn: Raymond Steele, Chin Chun Lee and Peter Gould - GSM CdmaOne & 3G systems - Chapter 2
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 24


Một vài thông số của GMSK

™ Trong đó, 99.99%Bandwidth được chuẩn hoá theo Rb

™ β: degradation factor - hệ số suy biến của mạch lọc
Premodulation
™ Tỉ lệ lỗi bit BER được tính:
Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications and Networking - Chapter 9 - page 270
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 25

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 26

Bài tập

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications and Networking - Chapter 9 - page 270


Bài tập

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications and Networking - Chapter 9 - page 270
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 27

Sóng mang trong GSM
) GSM kết hợp FDMA và TDMA
) Primary GSM900 band: 890-915Mhz Up và 935-960Mhz Down
) E-GSM900: 880-915Up và 925-960Mhz Down
) Hệ thống DCS1800: 1710-1785Up và 1805-1880 Down


Bài giảng Mạng TT di động

Slice 28


Bảng chia tần số trong GSM

™ Fl(n): tần số sóng mang (lower frequency uplink)
™ Fu(n): tần số sóng mang (upper frequency downlink)
Nguồn: Raymond Steele, Chin Chun Lee and Peter Gould - GSM CdmaOne & 3G systems - Chapter 2
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 29

Các mức công suất của MS

Handheld units
Vehicular units
™

5 mức đối với GSM900; 2 mức đối với DCS1800

™

Mỗi MS có thể giảm công suất mỗi step là 2dB xuống đến mức minimum là
5dBm (3.2mW) đối với GSM900 và 0dBm (1mW) đối với DCS1800

™

Công suất phát của MS được điều khiển bởi BTS


Nguồn: Raymond Steele, Chin Chun Lee and Peter Gould - GSM CdmaOne & 3G systems - Chapter 2
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 30


Các mức công suất của BTS

Adjusted
6 → 15
steps
(2dB/step)

Phase 1
Phase 2

Nguồn: Raymond Steele, Chin Chun Lee and Peter Gould - GSM CdmaOne & 3G systems - Chapter 2
Bài giảng Mạng TT di động

Slice 31

Suy hao đường truyền và cách tính

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 48

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 32



Suy hao không gian tự do

Công suất thu:

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 48

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 33

Suy hao không gian tự do

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 50

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 34


Suy hao không gian tự do

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 49

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 35

Ví dụ về suy hao không gian tự do


Nguồn: Bài giảng Thông tin di động - ĐHBK Hà Nội

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 36


Suy hao qua bề mặt phản xạ
Mô hình 2 đường

Nguồn: Bài giảng Thông tin di động - ĐHBK Hà Nội

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 37

Ví dụ Mô hình 2 đường

Nguồn: Bài giảng Thông tin di động - ĐHBK Hà Nội

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 38


Một số Mô hình suy hao đường truyền
) Okumura/ Hata Model (Europe/ North America)
) Cost 231 Model (Recommended by ETSI - European
Telecommunications Standards Institute - for use in
Personal Communication Network/ Personal

Communication System - PCN/PCS)
) IMT - 2000 Model (for indoor office environment,
outdoor to indoor pedestrian environment, and vehicular
environment)

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 39

Okumura/ Hata Model
Đô thị

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 67

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 40


Okumura/ Hata Model
Ngoại ô
Nông thôn

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 67

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 41

Ví dụ: Okumura/ Hata Model


Nguồn: Bài giảng Thông tin di động - ĐHBK Hà Nội

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 42


Cost 231 Model

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 68

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 43

Cost 231 Model

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 69

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 44


Cost 231 Model

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 69

Bài giảng Mạng TT di động


Slice 45

Cost 231 Model

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 69

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 46


Cost 231 Model

Nguồn: PMViệt - VTMTú - Thiết kế hệ thống WLL CDMA

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 47

Ví dụ: Cost 231 Model

Nguồn: Vijay K.Garg - Wireless communications & Networking - Ch 3 - page 69

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 48


Cost 231 - Hata Model


Nguồn: Bài giảng Thông tin di động - ĐHBK Hà Nội

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 49

Suy hao do nhiễu xạ - diffraction

Nguồn: Bài giảng Thông tin di động - ĐHBK Hà Nội

Bài giảng Mạng TT di động

Slice 50