1LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trongluận văn là trung thực. Tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này trƣớcViện đào tạo sau đại học – Trƣờng đại học Bách Khoa Hà NộiNgƣời cam đoanNguyễn Đăng Hiếu2MỤC LỤCLỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................................5DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................7LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................9CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM ...............111.1.Tổng quan......................................................................................................111.1.1Khái niệm .................................................................................................111.1.2Kiến trúc mạng GSM ...............................................................................131.1.2.1 Kiến trúc địa lí .......................................................................................131.1.2.2. Kiến trúc vật lí ......................................................................................151.2.Giao diện vô tuyến của GSM ........................................................................211.3.Điều chế cao tần trong GSM .........................................................................231.4.Cấu trúc cụm .................................................................................................281.4.1Cụm bình thƣờng [NB: Normal Burst] ....................................................281.4.2Cụm hiệu chỉnh tần số [FB: Frequency Correction Burst] ......................291.4.3Cụm đồng bộ [SB: Synchronization Burst] ............................................291.4.4Cụm truy nhập [AB: Access Burst] .........................................................301.4.5Cụm giả [DB: Dummy Burst] ..................................................................301.5.Kênh Logic ....................................................................................................301.5.1Nhóm kênh lƣu lƣợng [TCH] ...................................................................311.5.2Nhóm kênh điều khiển .............................................................................311.6.Ghép kênh trong GSM ..................................................................................361.7.Kỹ thuật nhảy tần trong GSM .......................................................................361.8.Một số tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho hệ thống GSM ngày nay ...............411.8.1Quy hoạch tần số trong các hệ thống GSM .............................................411.8.2Đặc điểm máy phát...................................................................................421.8.2.1. Công suất ra..........................................................................................4231.8.2.2. Phổ phát xạ của GSM...........................................................................461.8.2.3. Phát xạ giả [Spurious emissions] .........................................................511.8.3Đặc điểm máy thu GSM ...........................................................................521.8.3.1. Yêu cầu về đặc tính Blocking của máy thu..........................................521.8.3.2. Yêu cầu về độ suy giảm xuyên điều chế của máy thu .........................521.8.4Các quy định cho hoạt động thu phát .......................................................531.8.4.1 Tốc độ lỗi danh định .............................................................................531.8.4.2. Độ nhạy tham chiếu .............................................................................541.8.4.3. Mức độ nhiễu tham chiếu .....................................................................551.9.Tổng kết chƣơng 1 ........................................................................................55CHƢƠNG 2. ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỄU TRONG MẠNG GSM .......................552.1.Nhiễu trong thông tin di động GSM .............................................................562.1.1Nhiễu trắng [White Gaussian Noise] .......................................................562.1.2Nhiễu đồng kênh [CO - Interference] ......................................................562.1.3Nhiễu kênh lân cận C/A ...........................................................................592.1.4Nhiễu liên ký tự ISI ..................................................................................592.1.5Nhiễu đa truy nhập ...................................................................................622.2.Phƣơng pháp hình thành một số dạng nhiễu .................................................632.2.1Nhiễu có cấu trúc theo quy luật................................................................632.2.2Nhiễu có cấu trúc không theo quy luật.....................................................642.3.Tổng kết chƣơng 2 ........................................................................................69CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÁ SÓNG MẠNG GSM ...........................703.1.Các phƣơng pháp phá sóng mạng GSM .......................................................703.1.1Phá sóng gián tiếp thuê bao di động [gây nhiễu trạm gốc BTS]..............703.1.2Phá sóng trực tiếp thuê bao di động .........................................................723.2.Nghiên cứu, đánh giá khả năng gây nhiễu cho thiết bị di động ....................743.3.Hƣớng tiếp cận ..............................................................................................763.4.Tổng kết chƣơng 3 ........................................................................................774CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁ SÓNG MẠNG GSM 900 VÀ GSM 1800...................................................................................................................................784.1.Cơ sở lí thuyết ...............................................................................................784.1.1Các mạng thông tin di động ở Việt nam ..................................................784.1.2Gây nhiễu đƣờng lên[uplink] ...................................................................784.1.3Gây nhiễu đƣờng xuống [downlink] ........................................................794.1.4Phạm vi gây nhiễu ....................................................................................804.2.Chỉ tiêu kỹ thuật ............................................................................................814.3.Thiết kế modul gây nhiễu dải GSM 900 và DCS 1800 ................................834.3.1Sơ đồ khối ................................................................................................834.3.1.1. Khối nguồn [5] ..................................................................................834.3.1.2. Khối số 2 [ Khối tạo dao động]: ........................................................844.3.1.3. Khối VCO [khối số 3] ......................................................................884.3.1.4. Khối khuếch đại công suất [5]. ..........................................................884.3.1.5. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch gây nhiễu GSM 900 ........................884.3.1.6. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch gây nhiễu GSM 1800 ......................894.4.Kết quả đạt đƣợc ...........................................................................................904.5.Tổng kết chƣơng 4 ........................................................................................92KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................93TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................94PHỤ LỤC ..................................................................................................................955DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT2G3GPP8-PSKAGCHAUCBCCHBSCBSICBSSBTSCCCHCDMACGICIDCCHEIRFACCHFCCHFDDFSKGMSCGMSKGSMHLRIMEILACLAIMAIMCCMEMNCMSMSCNSSPCHPLMNQAMQPSKSecond Generation3rd Generation Partnership ProjectEight Phase Shift KeyingAccess Granted ChannelAuthentication CenterBroadcast Control ChannelBase Station ControllerBase Station Indentification CodeBase Station SubsystemBase Transveiver StationCommon Control ChannelCode Division Multiplexing AccessCell Global IndentityCell IndentityDedicated Control ChannelEquipment Identity RegisterFast Associated Control ChannelFrequency Correction ChannelFrequency Division DuplexFrequency Shift KeyingGateway Mobile Switching CentreGaussian Minimum Shift KeyingGlobal System for Mobile CommunicationsHome Location RegisterInternational Mobile Equipment IdentityLocation Area CodeLocation Area IdentityMultiple Access InterferenceMobile Country CodeMobile EquipmentMobile Network CodeMobile StationMobile Switching CenterNetwork Switching SubsystemPaging ChannelPublic Land Mobile NetworkQuadrature Amplitude ModulationQuadrature Phase Shift Keying6RACHRFRSSISACCHSCHSDCCHSIMTCHTDMAVCOVLRRandom Access ChannelRadio FrequencyReceiver Signal Strength IndicatorSlow Associated Control ChannelSynchronizing ChannelStand - alone Dedicated Control ChannelSubcriber Identify ModuleTraffic ChannelTime Division Multiplexing AccessVoltage-Controlled OscillatorVisitor Location RegisterDANH MỤC CÁC BẢNGBảng 1.1. Dải tần của các hệ thống GSM khác nhau đã đƣợc triển khai..................21Bảng 1.2 Sắp xếp các tổ hợp kênh trên các khe thời gian tƣơng ứng .......................35Bảng 1.3. Quy hoạch tần số trong các hệ thống GSM ..............................................41Bảng 1.4. Công suất ra của máy phát MS với tín hiệu điều chế GMSK ..................42Bảng 1.5. Công suất ra của máy phát MS với tín hiệu điều chế 8FSK .....................42Bảng 1.6. Các mức điều khiển công suất MS [hệ thống GSM] ................................43Bảng 1.7. Các mức điều khiển công suất MS [hệ thống DCS 1800] ........................44Bảng 1.8. Công suất ra cực đại của trạm BTS thông thƣờng....................................45Bảng 1.9. Công suất ra cực đại của trạm Micro & Pico BTS ...................................45Bảng 1.10. Mức công suất tại các tần số Offset với MS GSM 900 ..........................47Bảng 1.11. Mức công suất tại các tần số Offset với BTS GSM 900 ........................47Bảng 1.12. Mức công suất tại các tần số Offset với Micro BTS GSM 900..............48Bảng 1.13. Mức công suất tại các tần số Offset với Pico BTS GSM 900 ................48Bảng 1.14. Mức công suất tại các tần số Offset với MS DCS 1800 .........................48Bảng 1.15. Mức công suất tại các tần số Offset với BTS DCS 1800 thƣờng ...........49Bảng 1.16. Mức công suất tại các tần số Offset với Micro BTS DCS 1800 ............50Bảng 1.17. Mức công suất tại các tần số Offset với Pico BTS DCS 1800 ...............50Bảng 1.18. Mức phát xạ giả trong băng tần thu của BTS .........................................51Bảng 1.19. Mức tín hiệu thu......................................................................................52Bảng 1.20. Độ nhạy tham chiếu của các thiết bị thu GSM .......................................547Bảng 3.1. Bảng so sánh đặc trƣng của các loại thiết bị.............................................76Bảng 4.1. Dải tần GSM sử dụng cho các mạng di động ở Việt nam ........................78DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊHình 1.1. Phân cấp cấu trúc địa lí của mạng GSM ...................................................14Hình 1.2. Kiến trúc chung của mạng GSM [theo Wikipedia.com]..........................16Hình 1.3. Kiến trúc logic của BSS ............................................................................17Hình 1.4. Phân kênh RF trong hệ thống GSM900 ....................................................22Hình 1.5. Pha của tín hiệu sau điều chế phụ thuộc vào bit đầu vào trƣớc liền kề ....24Hình 1.6. Pha của tín hiệu MSK trong trƣờng hợp h = 1/2.......................................24Hình 1.7. Giản đồ pha của tín hiệu MSK ..................................................................25Hình 1.8. Dạng phổ của tín hiệu MSK so với các loại tín hiệu khác ........................26Hình 1.9. Sơ đồ khối điều chế GMSK ......................................................................26Hình 1.10. Đáp ứng tần số của MSK với các hệ số WTb khác nhau ........................27Hình 1.11. Đáp ứng thời gian của MSK với các hệ số WTb khác nhau ...................27Hình 1.12. Cấu trúc các cụm [khe thời gian] của GSM ............................................28Hình 1.13. Cụm bình thƣờng ....................................................................................29Hình 1.14. Cụm hiệu chỉnh tần số .............................................................................29Hình 1.15. Cụm đồng bộ ...........................................................................................30Hình 1.16. Cụm truy nhập .........................................................................................30Hình 1.17. Cụm giả ...................................................................................................30Hình 1.18. Phân loại các kênh logic trong GSM ......................................................34Hình 1.19. Sắp xếp kênh logic trên kênh vật lý với các cell có dung lƣợng khácnhau ...........................................................................................................................36Hình 1.20. Ghép kênh trong GSM ............................................................................36Hình 1.21. Định nghĩa BPC, HG và CHGR cho một tế bào .....................................38Hình 1.22. Định tuyến các cụm từ TRX đến máy phát ở nhảy tần băng gốc ...........39Hình 1.23. Cấu hình kênh cho 4 bộ thu phát trong nhảy tần băng gốc .....................39Hình 1.24. Định tuyến các cụm từ TRX đến máy phát ở nhảy tần tổng hợp............40Hình 1.25. Cấu hình kênh cho 4 bộ TRX trong nhảy tần tổng hợp ..........................408Hình 1.26. Phổ công suất ra của BTS thông thƣờng đảm bảo tiêu chuẩn [1] vàkhông đảm bảo tiêu chuẩn [2] ...................................................................................51Hình 2.2. Nhiễu đồng kênh .......................................................................................57Hình 2.3. Tỷ số nhiễu đồng kênh C/I ........................................................................58Hình 2.4. Dạng tín hiệu và phổ nhiễu không điều chế .............................................63Hình 2.5. Dạng tín hiệu và phổ của tín hiệu điều biên..............................................64Hình 2.6. Sơ đồ tạo nhiễu trực tiếp ...........................................................................65Hinh 2.7. Sơ đồ tạo nhiễu tạp điều biên ....................................................................66Hình 3.1. Phá sóng gián tiếp thuê bao di động .........................................................71Hình 3.2. Phá sóng trực tiếp thuê bao di động ..........................................................72Hình 4.1. Gây nhiễu đƣờng lên .................................................................................79Hình 4.2. Gây nhiễu đƣờng xuống ............................................................................80Hình 4.3. Bán kính gây nhiễu....................................................................................81Hình 4.4. Sơ đồ khối thiết bị gây nhiễu ....................................................................83Hình 4.5. Bộ nguồn xung 28V/10A ..........................................................................84Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi nguồn 28V sang 5V/3A .....................84Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lí khối tạo xung răng cƣa ...................................................85Hình 4.8. Tín hiệu ra của khối tạo xung răng cƣa .....................................................86Hình 4.9. Quan hệ giữa các thông số của khối tạo xung sử dụng IC NE555 ...........87Hình 4.10. Sơ đồ khối tạo xung răng cƣa có thể điều chỉnh biên độ ........................88Hình 4.11. Sơ đồ nguyên lý module phá sóng mạng GSM 900 ...............................89Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý module phá sóng mạng DCS 1800 ..............................89Hình 4.13. Thiết bị phá sóng hoàn chỉnh ..................................................................90Hình 4.14. Hình ảnh phổ nhiễu dải GSM900 ...........................................................90Hình 4.15. Hình ảnh phổ nhiễu GSM1800 ...............................................................91Hình 4.16. Phổ gây nhiễu GSM ................................................................................91Hình 4.17. Mạng Viettel, Vinaphone, Mobiphone, Gmobile khi chƣa bật thiết bị ..92Hình 4.18. Mạng Viettel, Vinaphone, Mobiphone, Gmobile sau khi bật thiết bị .....929LỜI MỞ ĐẦUHiện nay, thông tin di động đã trở thành phƣơng tiện liên lạc phổ biến trênthế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Vai trò to lớn của thông tin di độngngay càng đƣợc khẳng định. Tuy nhiên, bên cạch những lợi ích mà nó mang lại thìcòn có những mặt tiêu cực cần phải đƣợc hạn chế. Trong những năm gần đây việcsử 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 cáchoạt 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. Vìvậy, việc giám sát các hoạt động liên quan tới điện thoại di động thƣờng khó khănvà phức tạp cho lực lƣợng an ninh.Trƣớc tình hình trên, công tác giám sát một cách chủ động hoạt động của cácđiện thoại di động trong một khu vực cần bảo vệ có ý nghĩa hết sức quan trọngtrong an ninh chính trị. Việc nghiên cứu và chế tạo một thiết bị phá sóng mạngthông tin di động sẽ góp phần giúp lực lƣợng an ninh kịp thời xử lý khi xảy ra cáctình huống bất ngờ.Luận văn “Nghiên cứu các phương pháp phá sóng mạng thông tin di độngGSM phục vụ cho công tác của ngành an ninh” này có mục đích nghiên cứu vàđề xuất phƣơng án gây nhiễu nhằm khống chế một cách chủ động việc sử dụng điệnthoại di động GSM 900 và GSM1800 trong một khu vực giới hạn cần bảo vệ.Luận văn chia làm 4 chƣơng:Chƣơng 1: Tổng quan về mạng thông tin di động GSMChƣơng 2: Ảnh hƣởng của nhiễu trong mạng GSMChƣơng 3: Các phƣơng pháp phá sóng mạng GSMChƣơng 4: Thiết kế thiết bị phá sóng mạng GSM900 và GSM1800Do thời gian và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, luận văn này mới chỉ đềcập đến những vấn đề cơ bản nhất về khống chế mạng điện thoại di động GSM. Các10nghiên cứu chi tiết sẽ là hƣớng nghiên cứu lâu dài của bản thân tôi trong thời giancông tác tới.Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Khang đã tậntình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và hiệu chỉnh cho luận văn. Cảm ơn các thầy côgiáo Viện Điện tử - Viễn thông Đại học Bách khoa Hà nội và bạn bè đã hỗ trợ tôihoàn thành cuốn luận văn này.11CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM1.1.Tổng quan1.1.1 Khái niệmGSM trƣớc đây đƣợc biết nhƣ Groupe Spéciale Mobile [nhóm di động đặcbiệt], là nhóm đã phát triển nó, đƣợc thừa kế từ sự bắt đầu nhƣ một dịch vụ tế bàosố quốc tế. Giao tiếp vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA. Ý định ban đầulà các thuê bao GSM có khả năng di chuyển qua các biên giới quốc gia sẽ nhânđƣợc 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 tầnsố 1800 MHz. Ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng cho dịch vụ PCS 1900 tại vung đông bắcCalifornia và Nevada. Do PCS 1900 sử dụng tần số 1900 MHz, nên các điện thoạikhông có khả nặng kết nối với điện thoại hoạt động ở tần số 900 MHz hay 1800MHz. Tuy nhiên vấn đề này có thể khắc phục đƣợc với các máy điện thoại đa băngthông rộng hoạt động trong nhiều tần số.Vào đầu năm 1980, thị trƣờng hệ thống điện thoại tế bào tƣơng tự đã pháttriển triển rất nhanh ở Châu Âu. Mỗi một nƣớc đã phát triển một hệ thống tế bàođộc lập với các hệ thống ở các nƣớc khác. Sự phát triển không đƣợc hợp tác của cáchệ thống thông tin di động quốc gia có nghĩa là nó không có khả năng cho thuê baosử dụng cùng một máy di động cầm tay khi di chuyển trong Châu Âu. Không chỉcác thiết bị di động cầm tay bị hạn chế khai thác trong biên giới quốc gia, mà còn cómột thị trƣờng rất hạn chế đối với mỗi kiểu thiết bị, vì vậy tiết kiệm chi phí có thểkhông 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. Hơnnữa, chính phủ các nƣớc nhận thức rõ là các hệ thống thông tin không tƣơng thíchcó thể cản trở tiến trình để đạt đƣợc một tầm nhìn chiến lƣợc của họ về một ChâuÂu với nền kinh tế thống nhất.Với những cân nhắc nêu trên, hội nghị điện thoại điện báo gồm 26 quốc giaChâu Âu [CEPT] đã thành lập một nhóm nghiên cứu gọi là Groupe Spécale Mobilevà năm 1982 để nghiên cứu và phát triển một hệ thống thông tin liên lạc Châu Âu.12Đến năm 1986 tình hình trở nên sáng sủa và một số mạng tế bào tƣơng tự hiện tạicó thể sử dụng hết dung lƣợng vào năm 1990. CEPT khuyến nghị rằng hai khối tầnsố trong băng tần từ 890 MHz đến 915 MHz cho băng thu và từ 935 MHz đến 960MHz cho băng phát với mỗi băng đƣợc chia thành các kênh 200 MHz.Hệ thống thông tin di động đƣợc CEPT đƣa ra đã áp ứng đƣợc các tiêu chuẩnsau: Cung cấp âm thoại chất lƣợng cao. Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế. Hỗ trợ các thiết bị đầu cuối cầm tay. Hỗ trợ một loạt các dịch vụ và các thiết bị mới. Cung cấp hiệu quả phổ tần số, Cung cấp khả năng tƣơng thích với ISDN. Cung cấp chi phí dịch vụ và đầu cuối thấp.Vào năm 1989, việc phát triển các đặc tính kỹ thuật của GSM đã đƣợcchuyển từ CEPT đến viện tiên chuẩn viễn thông Châu Âu [ETSI]. ETSI đƣợc thànhlập vào năm 1988 để thiết lập các tiêu chuẩn viễn thông cho Châu Âu và hợp tác vớicác tổ chức tiêu chuẩn khác, các lĩnh vực liên quan đến truyền hình và công nghệthông tin văn phòng.ETSI đã ấn bản các đặc tính kỹ thuật giai đoạn 1 của GSM và năm 1990.Dịch vụ thƣơng mại đã bắt đầu vào giữa năm 1991. Đến năm 1993 đã có 36 mạngGSM tại 22 nƣớc, và thêm 25 nƣớc đã lựa chọn GSM. Từ đó, GSM đã chấp nhận ởNam Phi, Úc, và rất nhiều vùng Trung Đông và Viễn Đông. Tại Bắc Mỹ, GSMđƣợc dùng để thực hiện PCS. Đến cuối năm 1998 đã có 323 mạng GSM ở 118 nƣớcphục vụ cho 138 triệu thuê bao. Hiện nay, hệ thống GSM đƣợc gọi là hệ thốngthông tin di động toàn cầu [Global System for Mobilephone].Mạng thông tin di động GSM là mạng thông tin di động số Cellular gồmnhiều ô [cell]. Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng, có hình dạng [trên lý thuyết] là mộttổ ong hình lục giác. Trong mỗi cell có một đài vô tuyến gốc BTS [BaseTransceiver Station] liên lạc với tất cả các trạm di động MS [Mobile Station] có mặt13trong cell. Khi MS di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của cell, nó phải đƣợc chuyểngiao sang làm việc với BTS của cell khác.Đặc điểm của hệ thống thông tin di động Cellular là việc sử dụng lại tần sốvà 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 sốvô tuyến đƣợc sử dụng trong cell đó. Nhóm tần số đƣợc sử dụng nhiều lần cho cáccell với khoảng cách đủ lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau không đángkể.Thông thƣờng, một cuộc gọi di động không thể kết thúc trong một cell nênhệ 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 giaokhông bị gián đoạn.1.1.2 Kiến trúc mạng GSM1.1.2.1 Kiến trúc địa líMọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọiđến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi. Ở một mạng di động, cấutrúc này rất quan trọng do tính lƣu thông của các thuê bao trong mạng. Trong hệthống GSM, mạng đƣợc phân chia thành các phân vùng nhƣ trong hình 1.1:14Hình 1.1. Phân cấp cấu trúc địa lí của mạng GSMa. Vùng phục vụ PLMNVùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc giathành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ởcó thể sử dụng đƣợc nhiều nơi trên thế giới.Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ PLMN, đó có thể là một hay nhiều vùngtrong một quốc gia tùy theo kích thƣớc của vùng phục vụ.Kết nối các đƣờng truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác[cố định hay di động] đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế. Tất cả cáccuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều đƣợc định tuyến thông qua tổng đài vôtuyến cổng G-MSC [Gateway - Mobile Service Switching Center]. G-MSC làmviệc nhƣ một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN.b. Vùng phục vụ MSCMSC [Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động, gọi tắt là tổng đài diđộng]. Vùng MSC là một bộ phận của mạng đƣợc một MSC quản lý. Để địnhtuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động. Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi15tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC đƣợc lƣu giữ trong bộghi định vị tạm trú VLR.Một vùng mạng GSM/PLMN đƣợc chia thành một hay nhiều vùng phục vụMSC/VLR.c. Vùng định vị LAMỗi vùng phục vụ MSC/VLR đƣợc chia thành một số vùng định vị LA.Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, mà ở đó một trạm di độngcó thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đàiMSC/VLR điều khiển vùng định vị này. Vùng định vị này là một vùng mà ở đóthông báo tìm gọi sẽ đƣợc phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi. Vùngđịnh 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 vùngđịnh vị LAI [Location Area Identity]:LAI = MCC + MNC + LACTrong đó: MCC [Mobile Country Code]: mã quốc giaMNC [Mobile Network Code]: mã mạng di độngLAC [Location Area Code] : mã vùng định vị [16 bit]d. Ô phần tử - CellVùng định vị đƣợc chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thìkhông cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng. Cell là đơn vị cơ sở của mạng, làmột 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 + CITrong đó: CI [Cell Identity]: Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng địnhvị.Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốcBSIC [Base Station Identification Code].1.1.2.2. Kiến trúc vật líHệ thống GSM bao gồm 3 hệ thống cơ bản: hệ thống chuyển mạch SS, hệthống trạm gốc BTS và trạm di động MS. Mổi hệ thống này chứa một số chức năng16khác nhau nhƣ: chuyển mạch, quản lý nhận dạng thiết bị, tính cƣớc .vv... tạo nênmột hệ thống mạng di động liên kết.Hình 1.2. Kiến trúc chung của mạng GSM [theo Wikipedia.com]a. Trạm di động Mobile Station [MS]MS là các thuê bao, nó là các thiết bị mà ngƣời dùng sử dụng nó để thông tinvới nhau. MS có thể là các thiết bị cầm tay nhƣ điện thoại di động, máy tính cánhân, máy Fax ...]. MS cung cấp các giao diện với ngƣời dùng giúp cho việc khaithác các dịch vụ trong mạng. Các chức năng chính của trạm di động MS:+ Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên qua đến mạng GSM,FAX ...+ Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ởgiao diện vô tuyến.+ Bộ thích ứng đầu cuối làm việc nhƣ một cửa nối thông thiết bị đầu cuối vớikết cuối di động. Mobile Equipment [ME]:17Đó là các thiết bị cầm tay, xác định duy nhất bởi một số IMEI [InternationalMobile Equipment Identity] có tác dụng truyền tiếng nói và dữ liệu với mức côngsuất: 0.8W - 20 W. Với các thiết bị này thì độ dài một tin nhắn SMS là 160 kí tự. Subcriber Identify Module [SIM]:Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card còn gọi là Cardthông minh. SIM cùng với thiết bị trạm ME [mobile equipment] hợp thành trạm diđộng. Không có SIM, MS không thể thâm nhập đến mạng trừ trƣờng hợp gọi khẩn.Khi liên kết đăng ký thuê bao với Card SIM chứ không phải với MS. Cho phépngƣời dùng gửi và nhận các cuộc gọi và nhận các dịch vụ khác đã đăng ký và nhậndạng mã hóa mạng lƣới thông tin chi tiết với khóa Ki, Kc và các thuật toán A3, A5và A8. Mỗi SIM đƣợc bảo vệ bởi một mật khẩu hoặc số PIN.b. Phân hệ Trạm gốc [BSS – Base Station Subsystem]Thực hiện việc truyền các kênh thoại đã mã hoá, cấp phát các kênh sóng chomáy điện thoại di động, quản lý chất lƣợng truyền và nhận thông qua giao tiếp bằngsóng 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 chogiao diện vô tuyến. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thuê bao MS, traođổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến. Có thể gọi BTS là các môdem vôtuyến phức tạp có thêm các chức năng khác. Mỗi BTS tạo ra một hay một số khuvực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào cell. Một bộ phận quan trọng của BTS là18khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU. TRAU là thiết bị mà ở đó quá trìnhmã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GMS đƣợc tiến hành, tại đây cũng thíchứng tốc độ trong trƣờng hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS nhƣngcũng có thể đƣợc đặt xa BTS và thậm chú còn đặt trong BSC và MSC. TRAU thựchiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến [16 Kb/s] theo tiêu chuẩn GSMthành các kênh thoại tiêu chuẩn [64 Kb/s] trƣớc khi đến tổng đài, nó đƣợc điềukhiển 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 giaodiện 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 cònphía kia đƣợc nối với MSC của phân hệ SS. Trong thực tế BSC đƣợc coi nhƣ là mộttổng đài nhỏ, có khả năng tính toán đáng kể. Vai trò chính của nó là quản lý cáckênh ở vô tuyến và chuyển giao. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còngiao diện giữa BTS và BSC là giao diện A.bis.Các chức năng chính của BSC:+ Quản lý mạng vô tuyến : Việc quản lý mạng vô tuyến là quản lý các cell vàcác kênh lôgic của chúng. Các số liệu quản lý đều đƣợc đƣa về BSC để đo đạc vàxử lý, chẳng hạn nhƣ lƣu lƣợng thông tin một cell, môi trƣờng vô tuyến, số lƣợngcuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại …+ Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: Trƣớc khi đƣa vào khai thác BSC lập cấuhình BTS [số máy thu phát, tần cố cho ra mỗi trạm… ]. Nhờ đó mà BSC có sẵn mộttập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi.+ Điều khiển nối thông cuộc gọi : BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giảiphóng các đấu nối tới máy di động MS. Trong quá trình gọi đƣợc BSC giám sát.Cƣòng độ tín hiệu, chất lƣợng cuộc đấu nối đƣợc ở máy di động và TRX gửi đếnBSC. Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và TRX đểgiảm nhiễu và tăng chất lƣợng cuộc đấu nối. BSC cũng điều khiển quá trình chuyểngiao nhờ các quá trình đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang các cell khác,19nhằm đạt đƣợc chất lƣợng cuộc gọi tốt nhất. Trong trƣờng hợp chuyển giao MSsang cell của BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC. Bêncạnh đó BSCcũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell nàysang kênh của cell khác trong trƣờng hợp cell này bị nghẽn nhiều.+ Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đƣờngtruyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lƣợng thông tin. Trong trƣờng hợp cósự cố ở một tuyến nào đó, nó sẽ điều khiển tới một tuyến dự phòng.c. Phân hệ chuyển mạch [NSS – Network Switching Subsystem]Phân hệ chuyển mạch SS bao gồm các chức năng chuyển mạch chính củamạng GSM cũng nhƣ các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệuthuê bao và quản lý diđộng thuê bao. Chức năng chính của nó là quản lý thông tin giữa những ngƣời sửdụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.Phân hệ chuyển mạch [SS] cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụngkhả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệucho ngƣời sửdụng hay báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM. Chẳng hạn SS có thể sử dụngmạng báo hiệu kênh chung số 7, mạng này đảm bảo hoạt động giữa các phần tử củaSS 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 khiểntrạm gốc BSC. Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị và vùng ngoại ôcó dân cƣ khoảng 1 triệu [ với mật độ thuê bao trung bình ]. MSC thực hiện chứcnăng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọiđến những thuê bao của GSM, một mặt GSM giao tiếp với phân hệ BSS mặt khácgiao 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 nhƣSIM, các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, không phụthuộc vào vị trí hiện thời của các thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thờicủa các thuê bao. Thƣờng HLR là một máy tính đứng riêng, không có khả năng20chuyển mạch nhƣng có khả năng quản lý hàng trăm nghàn thuê bao. Một chức năngcon của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực thuê bao AUC.f.Bộ ghi định vị tạm trú [VLR – Visitor Location Register]Là cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụcủa MSC. Mỗi MSC có một VLR, thƣờng thiết kế VLR ngay trong MSC.Khi MS lƣu động vào một vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầusố liệu về MS từ HLR, đồng thời HLR sẽ thông báo MS đang ở vùng MSC nào.Nếu sau đó MS muốn thực hiện cuộc gọi VLR sẽ có thông tin cần thiết để thiết lậpcuộc gọi mà không cần hỏi HLR. VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí củaMS ở vùng MSC. Nhƣng khi thuê bao tắt máy hoặc rời khỏi vùng hoạt động củaMSC thì các số liệu liên quan đến nó cũng hết giá trị. Vì vậy có thể coi VLR là hệthống lƣu giữ ―hộ khẩu tạm trú‖ của các thuê bao vãng lai.g. Thanh ghi nhận dạng thiết bị [EIR - Equipment Identity Register]EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệunhận dạng thiết bị quốc tế IMEI[ Internationnal Mobile Equipment Identity ] vàchứa số liệu về phần cứng của thiết bị. ME thuộc một trong 3 danh sách sau:+ ME thuộc danh sách trắng [White List]: Tức là nó đƣợc quyền truy nhập vàsử dụng các dịch vụ đã đăng ký.+ ME thuộc danh sách xám [Gray List]: Tức là có nghi vấn và cần kiểm tra.+ ME thuộc danh sách đen [Black List]: Tức là nó bị cấm không cho phéptruy nhập vào mạng.h. Trung tâm xác thực [AUC – Authentication Center]Đƣợc nối đến HLR, chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các tần sốnhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật. Đƣờng vô tuyến cũng đƣợcAUC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này đƣợc thay đổi để riêng biệtcho từng thuê bao. Cơ sở dữ liệu của AUC còn ghi nhiều thông tin cần thiết kháckhi thuê bao đăng ký nhập mạng và đƣợc sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầucung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép.i.Tổng đài di động cổng [GMSC – Gateway Mobile Switching Center]21Tất cả các cuộc gọi vào cho mạng GSM/PLMN sẽ đƣợc định tuyến cho tổngđài vô tuyến cổng G-MSC. Nếu môt ngƣời nào đó ở mạng cố định PSTN muốn thựchiện cuộc gọi vào mạng GSM/PLMN : Tại tổng đài PSTN sẽ kết nối cuộc gọi nàyđến MSC có trang bị một chức năng gọi là chức năng cổng. Tổng đài MSC này còngọi là tổng đài MSC cổng, và nó có thể là một MSC bất kỳ ở mạng GSM. G-MSCsẽ phải tìm ra vị trí của MS cần tìm. Điều này sẽ đƣợc thực hiện bằng cách hỏi HLRnơi MS đăng ký. HLR sẽ trả lời khi đó MSC này sẽ định tuyến lại cuộc gọi đếnMSC cần thiết. Khi cuộc gọi đến MSC này VLR sẽ xác định rõ hơn về vị trí củaMS. Nhƣ vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM khi có sự khác biệt giữathiết bị vật lý và đăng ký thuê bao.1.2.Giao diện vô tuyến của GSMGSM là một hệ thống TDMA/FDD với phƣơng pháp điều chế GMSK[Gaussian Minimum Shift Keying]. TDMA có nghĩa là nhiều nggƣời sử dụng chiasẻ một kênh cao tần cho trƣớc trên cơ sở thời gian. FDD có nghĩa là hƣớng lên [từMS 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 tần900MHz, 1800MHZ và 1900 MHz. Bảng sau liệt kê dải tần của các hệ thống khácnhau đã đƣợc triển khai trên thế giới.Bảng 1.1. Dải tần của các hệ thống GSM khác nhau đã đƣợc triển khaiGSM 900Đƣờng lên [từ MS tới 890-915E_GSM900 DCS 1800PCS 1900880-9151710-17851850– 1910925-9601805-18801930-1990BTS]Đƣờng xuống [từ BTS 935-960tới MS]Trong hệ thống GSM, một dải tần số cho trƣớc đƣợc chia thành các sóngmang 200kHz hoặc các kênh cao tần [RF- Radio Frequency] ở cả hƣớng lên vàhƣớng xuống. Ngoài ra, một dải tần bảo vệ 200kHz đƣợc dành ra tại hai đầu củamỗi dải tần số. Ví dụ, ở hệ thống GSM 900, kênh RF đầu tiên ở hƣớng lên đặt tại22tần số 890,2MHz và kênh RF cuối cùng của đƣờng lên đặt tại 914,8 MHz, cho phéptổng cộng 124 sóng mang. Tƣơng tự hệ thống DCS 1800 có tối đa 374 sóng mangvà 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 sốkênh RF, mỗi kênh 200kHz ở cả hƣớng lên và hƣớng xuống. Vì vậy, nếu một máycầm tay đang truyền trên một sóng mang 200kHz ở đƣờng lên, thì máy này sẽ nhậntín hiệu trên một sóng mang 200 kHz tƣơng ứng ở đƣờng xuống. Một cell trong hệthống GSM có thể có nhiều sóng mang RF - điển hình từ một tới ba trong hệ thốnguplinkdownlink890MHz915MHz0124935MHz0960MHz124tải bình thƣờng, nhƣng có thể lên tới sáu trong các cell có nhu cầu lƣu lƣợng lớnHình 1.4. Phân kênh RF trong hệ thống GSM900Mỗi sóng mang RF đƣợc chia thành 8 khe thời gian, đƣợc đánh số từ 0 tới 7và đƣợc truyền trong một cấu trúc khung TDMA. Mỗi khung kéo dài xấp xỉ 4,62ms, tức là mỗi khe thời gian kéo dài 576,9 s. Phụ thuộc vào tổng số sóng mang RFtrong một cell nhất định, tất cả tám khe thời gian đƣợc sử dụng để mang lƣu lƣợngcủa ngƣời sử dụng. Nói cách khác, mỗi sóng mang RF có thể đƣợc cấp cho 8 kênhlƣu lƣợng – TCH [Traffic Channel]. Tuy nhiên, tối thiểu một khe thời gian trongmột cell phải đƣợc dành cho mục đích báo hiệu điều khiển. Vì vậy, nếu chỉ có duynhất một sóng mang trong một cell, thì chỉ có tối đa 7 kênh lƣu lƣợng, tức là có tốiđa 7 ngƣời có thể sử dụng đồng thời.231.3.Điều chế cao tần trong GSMGSM sử dụng phƣơng pháp điều chế GMSK [Gaussian – Filtered MinimumShift Keying] để điều chế tín hiệu trên giao tiếp vô tuyến. Còn chuẩn GPRS, EGDEsử dụng phƣơng pháp điều chế 8PSK, phần này sẽ tập trung nghiên cứu về phƣơngpháp điều chế GMSK, trƣớc hết ta hãy xem xét về phƣơng thức điều chế MSKMKS sử dụng hình thức thay đổi pha để biểu diễn các bit 0 và 1, nhƣngkhông giống nhƣ các phƣơng pháp điều chế sử dụng khoá dịch khác, tín hiệu sauđiều chế biễu diễn các giá trị 0 hoặc 1 không chỉ phụ thuộc vào xung đầu vào tạithời điểm hiện tại mà nó còn phụ thuộc vào xung đầu vào liền kề trƣớc đó dùng đểdịch pha sóng mangXung đƣợc sử dụng trong phƣơng thức MSK đƣợc biểu diễn bằng công thứcsau:S [t ] [1.1]2 Ebcos[2 fc t [t]]TbTrong đó [ t ] [ 0] hNếu xung đầu vào trƣớc là 1TbhNếu xung đầu vào trƣớc là 0 [ t ] [ 0] TbGiả sử rằng chuỗi bit dữ liệu đƣợc đƣa vào điều chế là 11101000, pha của tín24hiệu 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 kềNếu 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 Hình 1.6. Pha của tín hiệu MSK trong trƣờng hợp h = 1/2Giản đồ pha [Chòm sao tín hiệu]:Sử dụng biến đổi lƣợng giác công thức điều chế, ta đƣợc:S [t ] [1.2]2 Ebcos[2 fc t [t]]Tb S [t ] 2 Ebcos[ [t ] cos[2 fc t] Tb2 Ebsin[ [t ]sin[2 fc t]TbCông thức 1.2 có thể biểu diễn đơn giản hơn bằng công thức sau:S[t ] s11[t ] s22 [t ]Trong đó:+ 1 [t ] + 2 [t ] 2sin[t ]sin[2 fc t]Tb2 Tb2cos[t ]cos[2 fc t]Tb2 TbVà:+ s1 Eb cos[ [0]] trên đoạn: – Tb t Tb[1.3]25+ s2 Eb sin[ [Tb ]] trên đoạn: 0 t 2TbTrong phƣơng trình trên, S1 và S2 chỉ phụ thuộc vào [0] và [Tb] mỗi thamsố 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-Nếu [0] = 0 và [Tb] = -/2 thì bit đầu vào trƣớc đó là 0-Nếu [0] = và [Tb] = -/2 thì bit đầu vào trƣớc đó là 1Nhƣ vậy giá trị của S1 và S2 đã đƣợc xác định, bây giờ tín hiệu sau điều chếchỉ còn phụ thuộc vào 1[t] và 2[t], giản đồ pha có thể đƣợc minh hoạ bằng hìnhvẽ sau:Hình 1.7. Giản đồ pha của tín hiệu MSKƯu điểm của MSK:Mặc dù tín hiệu MSK đƣợc tạo ra bằng cách phân tích sự thay đổi về pha,nhƣng trên thực tế MSK thực chất là một dạng của phƣơng pháp điều chế FSK vớifc 1[ f1 f 2 ]2h Tb [ f1 f 2 ]Với 1 và 2 là các tần số đƣợc sử dụng phụ thuộc vào các xung đầu vào.MSK tạo ra một tín hiệu FSK với sự sai khác tối thiểu giữa các tần số của hai tínhiệu FSK và các tín hiệu này bảo đảm không gây can nhiễu lẫn nhau