Tổng quan hệ thống di động GSM

Tổng quan hệ thống di động GSM

TỔNG QUAN VỀ

HỆ THỐNG DI ĐỘNG GSM

CHƯƠNG 1

GSM là viết tắt của G lobal S ystem for

communications

Ø GSM là hệ thống điện thoại di động mà mạng lười

hoàn toàn sử dụng kỹ thuật số, khác với hệ thống

mạng điện thoại Analog cổ điển như hệ thống AMPS

(Advanced Mobile Phone Service: Dịch vụ điện thoại

di động cao cấp).

Ø Hệ thống thông tin di động toàn cầu

1 CAÁU TRUÙC HEÄ THOÁNG GSM

MS: Mobile Station

BTS: Base Transceiver Station

BSC: Base Station Controller

BSS: Base Station Subsystem

MSC: Mobile services Switching

VLR: Visitor Location Register

HLR: Home Location Register

EIR: Equipment Identitfication Register AuC: Authentication Center

SMSC: Short Messaging Service Center OMC: Operation & Maintenance Center

EIR HLR AuC

SMSC Billing OMC BTS

Cấu trúc của một hệ thống GSM có thể được chia làm 3

hệ thống con:

§ Hệ thống con trạm gốc (BSS – Base Station

Subsystem), gồm BTS và BSC.

§ Hệ thống con chuyển mạch mạng (NSS – Network Switching Subsystem) gồm: MSC/GMSC, HLR, VLR,

EIR, AUC.

Ngoài ra trong mạng còn có các thuê bao, được gọi là MS.

§ Hệ thống con vận hành bảo dưỡng (OMS –

Operation and Maintenance Subsystem) chứa OMC.

Base Station Subsystem

GMSC

Network Subsystem

AUC EIR HLR

Other Networks

Note: Interfaces have been omitted for clarity purposes.

+

PSTN PLMN

Internet

Cấu trúc của một hệ thống GSM

NSS

1.1 MS (Mobile Station)

§ Là thiết bị cầm tay trong mạng di động GSM,

thực hiện chức năng thu và phát tín hiệu vô

tuyến với một BTS (trong vùng phủ sóng).

§ Đối với hệ thống GSM, một MS gồm 2 thành phần

là ME (Mobile Equipment) và SIM (Subscriber

Identity Module).

§ Là thiết bị cứng thực hiện chức năng thu phát tín hiệu, nó tương đối “thông minh” và được điều khiển bởi 1 chương trình bên trong máy.

§ ME trở thành MS chỉ khi nào SIM được chèn vào trong ME.

§ Nói ME “thông minh” vì nó có khả năng tự điều chỉnh công suất phát Þ tiết kiệm pin và hạn chế hiện tượng

“near and far”.

§ Mỗi ME có chứa một số IMEI (International Mobile Equipment Identity) dùng để nhận dạng thiết bị Số IMEI là duy nhất cho tất cả các MS trên toàn thế giới.

a ME (Mobile Equipment)

§ Số IMEI có thể được hiển thị ở hầu hết các máy điện thoại bằng cách bấm *#06#

SIM là một thẻ chip, bên trong có bộ nhớ để lưu trữ thông tin cá nhân của thuê bao và thông tin của nhà cung cấp dịch vụ.

Trong quá trình hoạt động, MS sẽ sử dụng các thông tin có sẵn trong SIM Thông tin lưu trữ trong SIM gồm:

§ IMSI (International Mobile Subscriber Identity): số nhận dạng thuê bao di động quốc tế Số này là duy nhất trên thế giới nhưng khi làm việc MS không sử dụng số này.

b SIM (Subscriber Identity Module)

§ LAI (Location Area Identifier): Số vùng đăng ký.

§ Khoá nhận thực thuê bao Ki: Được MS sử dụng trong quá trình nhận thực thuê bao.

Ưu điểm của việc sử dụng SIM card rời ?

§ TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity): số

nhận dạng thuê bao tạm thời

Được MS sử dụng để liên lạc trên đường vô tuyến, số

này chỉ tồn tại tối đa 3 giờ khi MS đang đàm thoại, nếu quá 3 giờ thì mạng tự động thay đổi số này mà người sử dụng không biết.

a BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc

§ BTS thực hiện chức năng thu và phát tín hiệu với các

MS nằm trong vùng phủ sóng của nó.

1.2 Các thành phần của hệ thống con BSS

§ Vùng phủ sóng của một BTS gọi là cell (tế bào).

a BTS (Base Transceiver Station(tt)

§ BTS giao tiếp với MS qua đường vô tuyến.

§ BTS làm việc thụ động, mọi hoạt động của nó đều được điều khiển bởi BSC.

§ Giao diện giữa BTS và MS được gọi là giao diện Um.

Giao tiếp vô tuyến

a BTS (Base Transceiver Station(tt)

a BTS (Base Transceiver Station(tt)

Ø 500 m ở khu vực thành thị

Ø15 km ở khu vực nông thôn, vùng ven,

…

Bán kính phủ sóng của các trạm BTS là:

b BSC (Base Station Controller): Bộ điều khiển trạm gốc

Chức năng chính của BSC là điều khiển hoạt động của các BTS như:

§ Điều khiển công suất phát cho các MS.

§ Cấp phát kênh tần số cho các BTS và MS.

§ Điều khiển nhảy tần số giữa các MS để giảm nhiễu.

§ Điều khiển chuyển giao,¼

Mỗi BSC có thể điều khiển nhiều BTS (40 đến 65 BTS).

Đường nối giữa BTS và BSC có tốc độ là 2Mbps và có thể sử dụng:

§ Cáp đồng nếu BTS gần BSC.

§ Đường truyền viba nếu BTS ở xa BSC, các tuyến viba này có cự ly cực đại là 20km.

§ Cáp quang nếu BTS được đặt ở tỉnh còn BSC ở thành phố.

1.3 Các thành phần của hệ thống con NSS (Network

Switching Subsystem):

a MSC (Mobile services Switching Center)

§ Thực hiện chức năng chuyển mạch các cuộc gọi giữa các MS MSC được xem như tổng đài của mạng di động.

§ Đây là nơi duy nhất trong hệ thống thực hiện chức năng này.

§ MSC chịu trách nhiệm thiết lập các kết nối:

§ Ngoài ra MSC còn thực hiện quản lý các cell và các location areas (LA) (LA là một vùng gồm nhiều cell).

- Đến BSS

- Đến MSC khác

- Đến các mạng khác (như mạng PSTN)

ISDN

GMSC

HLR AuC

EIROMC

MSC Khác

a MSC (Mobile services Switching Center)

§ Một MSC quản lý được nhiều BSC trong một vùng.

§ Các MSC ở các vùng sẽ đấu nối với nhau để cho phép thực hiện cuộc gọi liên vùng Ngoài ra MSC còn được nối với mạng PSTN để thực hiện cuộc gọi đến các thuê bao cố định.

§ MSC được đặt ở các thành phố lớn.

§ MSC thực hiện các chức năng giống như một tổng đài của mạng điện thoại cố định Tuy nhiên việc quản lý thuê bao thì khác.

Vậy các thuê bao di động được quản lý ở đâu và như thế nào?

b HLR (Home Location Register)

§ Trong mạng GSM, việc quản lý thuê bao không do các tổng đài thực hiện vì thuê bao di động không được kết nối l âu dài với một MSC Thay vào đó, vị trí hiện tại của thuê bao xác định MSC chịu trách nhiệm quản lý nó tại thời điểm đó.

§ Do đó, mạng GSM có một thành phần được gọi là HLR để chứa dữ liệu của thuê bao của một vùng nào đó.

§ HLR là một cơ sở dữ liệu nơi mà các thuê bao di động được tạo ra, bị chặn hoặc bị xoá bởi nhà khai thác.

§ HLR chứa tất cả các thông tin lâu dài của thuê bao cũng như các dịch vụ và các giới hạn mà một thuê bao di động được phép sử dụng, cụ thể gồm: số IMSI, Ki, VLR hiện tại của thuê bao và các dịch vụ của thuê bao di động.

HLR

§ Thông tin này không cho biết vị trí cụ thể của thuê bao di động mà chỉ cho biết VLR mà thuê bao đang hiện diện.

§ Một phần lớn dữ liệu của thuê bao trong HLR được sử dụng để thiết lập và xoá kết nối.

§ Để đảm bảo dữ liệu này có thể được sử dụng ngay lập tức cho một cuộc gọi thì nó còn được lưu trữ ở một cơ sở dữ liệu nữa, được gọi là VLR và VLR được liên kết với MSC.

§ Gọi là thanh ghi định vị thường trú vì thông tin của thuê bao được lưu trữ lâu dài trong HLR và dù thuê bao đó có

di chuyển đến đâu thì thông tin trong HLR vẫn không bị xoá.

c VLR (Visistor Location Register)

§ Cũng là một cơ sở dữ liệu để chứa thông tin của thuê bao

di động Thông tin này cho biết vị trí hiện tại, trạng thái của MS,¼ và VLR sẽ cung cấp dữ liệu của thuê bao để xử lý cuộc gọi bất cứ khi nào được yêu cầu.

§ Thông tin trong VLR có tính chất tạm thời, nó thay đổi khá thường xuyên và không phải được cập nhật bằng tay như trong HLR mà được cập nhật thông qua thủ tục “cập nhật vị trí”.

VLR

§ Thủ tục cập nhật vị trí xảy ra trong vài giây khi có 1 trong 3 điều kiện sau:

ü MS chuyển từ tắt " mở máy

§ Thông qua thủ tục cập nhật vị trí, dữ liệu của thuê bao được chuyển từ HLR sang VRL hiện tại

§ Dữ liệu này được lưu trữ trong VLR chừng nào mà thuê bao đó còn di chuyển quanh quẩn trong vùng do VLR này quản lý.

Ví dụ: Vào những năm 1993 – 1994, các thuê bao di động được đánh số theo khu vực Miền Bắc, Miền Trung và Miền Nam, cụ thể như mạng MobiFone

Thì trong HLR thuộc miền Bắc chỉ chứa dữ liệu của các MS có đầu số là 0904 nhưng trong VLR của miền này thì ngoài các thuê bao có đầu số 0904 còn có các thuê bao có các đầu số 0908 và 0905 di chuyển từ miền Nam và miền Trung ra.

- 0901,2,3, xxxxxx: là các thuê bao di động đăng ký ở miền Bắc

- 0907,8,9 xxxxxx: là các thuê bao di động đăng ký ở miền Nam

- 0905,6 xxxxxx: là các thuê bao di động đăng ký ở miền Trung

§ Nếu một thuê bao di chuyển sang vùng phục vụ của một VLR khác thì thủ tục cập nhật vị trí sẽ được lặp lại: VRL mới yêu cầu dữ liệu của thuê bao này từ HLR quản lý thuê bao đó.

§ Đồng thời, dữ liệu của thuê bao này trong VLR cũ sẽ bị xóa Ngoài ra, thông tin trong VLR cũng sẽ bị xoá khi thuê bao tắt máy.

§ Ngoài ra, VLR còn tham gia kiểm tra một thuê bao có đủ quyền để truy xuất vào mạng hay không, nghĩa là thực hiện nhận thực thuê bao.

d AuC (Authentication Center): Trung tâm nhận thực thuê bao

Chức năng: kết hợp với HLR cung cấp cho VLR các thông số để nhận thực một MS có quyền truy nhập vào mạng hay không.

e EIR (Equipment Identity Register): Thanh ghi nhận dạng thiết bị.

Chức năng: Dùng để lưu trữ số IMEI (International Mobile Equipment Identity) của tất cả các thuê bao trong vùng phục vụ của nó

§ Mỗi ME được sản xuất ra đều có một số IMEI duy nhất trên thế giới, số này vừa được lưu trong ROM của

ME, vừa được lưu trong EIR.

§ Trong EIR, số IMEI của tất cả thiết bị di động được sử dụng được phân vào 3 danh sách (list):

ü “WHITE LIST” chứa các ME không bị giới hạn

ü “GREY LIST” chứa các thiết bị đang được giám sát, theo dõi

ü “BLACK LIST” chứa các thiết bị không hợp lệ (vd: thiết bị đó đã bị ăn cắp,¼)

§ Để kiểm tra một ME có hợp lệ hay không thì đầu tiên MSC sẽ yêu cầu số IMEI từ MS sau đó MSC sẽ gửi số IMEI này đến EIR.

§ EIR sẽ kiểm tra xem thiết bị đó thuộc danh sách nào và gửi kết quả về lại cho MSC.

Ví dụ: Nếu ME đó thuộc BLACK LIST thì nó không thể thực hiện/nhận cuộc gọi.

Thanh ghi EIR không quan trọng nhưng nếu quản lý thanh ghi này tốt thì sẽ không có hiện tượng mất máy di động!

1.4 Hệ thống con OMS (Operation & Maintenance Subsystem)

§ Một OMS gồm 1 hoặc nhiều OMC Một OMC hỗ trợ các chức năng sau:

ü Quản lý cấu hình mạng

ü Quản lý quá trình làm việc của mạng

ü Quản lý bảo mật

§ OMC được kết nối với NSS (SSS) và BSC thông qua một mạng dữ liệu gói X.25.

§ OMC bao gồm các máy tính mà từ đây nhà khai thác có thể nhập các lệnh để điều hành, bảo dưỡng hệ thống Các máy tính này được kết nối với nhau qua một mạng LAN.

§ Đây cũng là nơi duy nhất mà người khai thác giao tiếp được với mạng di động.

MSC

Ngoài ra, trong mạng GSM còn có:

v Hệ thống billing:

v SMSC (Short Message Service Center)

§ Thực hiện chức năng cung cấp dịch vụ SMS cho các MS.

§ Lưu trữ tạm thời các bản tin SMS.

§ Thực hiện chức năng tính cước cho các cuộc gọi.

§ Billing bao gồm:

Ø Hệ thống trả trước - Prepaid

Ø Hệ thống trả sau - Postpaid

§ Có 2 loại bản tin là : 80 ký tự (mạng Sfone thời kỳ

đầu) và 160 ký tự.

2 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN Um

Sau khi hoàn tất phần này, chúng ta có thể:

§ Liệt kê được các băng tần mà các hệ thống di động GSM đang sử dụng.

§ Giải thích được cấu trúc vật lý của các kênh ở giao diện vô tuyến.

§ Phân biệt được các loại kênh logic ở giao diện vô tuyến.

§ Giải thích được cấu trúc của kênh lưu lượng.

§ Giải thích được chức năng và cấu trúc của các kênh điều khiển.

2.1 Mục tiêu:

2.2 Các băng tần số trong GSM

§ Hệ thống GSM có hai băng tần làm việc là băng tần

900 MHz được gọi là GSM 900 và băng tần 1800 MHz được gọi là DCS 1800.

§ Trong đó, mỗi băng tần này lại được chia làm 2 băng tần con:

ü Băng tần hướng lên (UPLINK – UL): là băng tần được

MS sử dụng để truyền tín hiệu đến BTS.

ü Băng tần hướng xuống (DOWNLINK – DL): là băng tần được BTS sử dụng để truyền tín hiệu đến MS.

§ GSM 900 làm việc trong dải tần số từ 890MHz đến 960MHz, trong đó:

ü Băng tần hướng lên nằm trong dải tần số từ 890MHz đến 915MHz.

ü Băng tần hướng xuống nằm trong dải tần số từ 935MHz đến 960MHz.

ü Dải tần số từ 915MHz đến 935MHz là khoảng bảo vệ.

§ DCS 1800 làm việc trong dải tần số từ 1710 MHz đến

Chú ý: Sóng mang đầu tiên (200kHz) không được sử dụng.

§ Khoảng cách giữa sóng mang ở hướng lên và hướng xuống trong cùng một kênh là 45 MHz.

§ Độ rộng băng tần của mỗi sóng mang là 200 kHz.

§ Mỗi hướng của băng tần GSM 900 được chia thành 124 sóng mang (Carrier – C).

§ Toàn bộ băng tần GSM 900 được chia làm 124 kênh tần số vô tuyến (RFC – Radio Frequency Channel), mỗi RFC gồm 2 sóng mang: 1 cho hướng lên và 1 cho hướng xuống.

Chú ý: Cũng như băng tần GSM 900, sóng mang đầu tiên (200kHz) không được sử dụng.

§ Khoảng cách giữa sóng mang ở hướng lên và hướng xuống trong cùng một kênh là 95 MHz.

§ Độ rộng băng tần của mỗi sóng mang cũng là 200 kHz.

§ Tương tự, mỗi hướng của băng tần DCS 1800 được chia thành 374 sóng mang.

§ Toàn bộ băng tần DCS 1800 được chia làm 374 kênh tần số (RFC), mỗi kênh gồm 2 sóng mang: 1 cho hướng lên và 1 cho hướng xuống.

v Việc truy cập vào mạng thông qua các kênh tần số vô

tuyến trong một dải tần được gọi là Đa truy cập phân

chia theo tần số (FDMA).

v Bảng sau liệt kê các sự khác nhau giữa băng tần GSM

900 và DCS 1800.

75 MHz

25 MHz Độ rộng băng tần ở mỗi hướng

95 MHz

45 MHz

Khoảng cách giữa hai tần số

trong 1 kênh tần số

374 124

Số lượng kênh tần số

Hoạt động ở băng tần 1800 MHz

Hoạt động ở băng tần 900 MHz

Tần số hoạt động

DCS 1800 GSM 900

Đặc điểm so sánh

§ Tuỳ thuộc vào lưu lượng, một cell có thể sử dụng một hoặc nhiều kênh tần số (RFC).

§ Vì số lượng kênh tần số là có hạn nên một RFC phải được sử dụng lại rất nhiều lần.

§ Tuy nhiên, để tránh hiện tượng nhiễu đồng kênh thì các cell gần nhau phải sử dụng các RFC khác nhau.

§ Do đó, các BTS sử dụng cùng một RFC phải đảm bảo cách nhau một khoảng cách an toàn (safe distance)

§ Khoảng cách an toàn này được gọi là REUSE DISTANCE (KHOẢNG CÁCH SỬ DỤNG LẠI TẦN SỐ).

2.3 Các kênh vật lý

§ Giống như hệ thống PCM32 (1 luồng PCM32 gồm 32 kênh), 1 RFC bao gồm 8 kênh Vì thế, nhiều thuê bao di động có thể truy cập một RFC.

§ Phương pháp truy cập này được gọi là đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access–TDMA).

2.3 Các kênh vật lý (tt)

§ Kênh vật lý là tần số dùng để truyền tải thông tin

§ Ví dụ kênh tần số 890Mhz là kênh vật lý.

§ Kênh Logic là do kênh vật lý tách ra, trong GSM một kênh vật lý được chia ra làm 8 kênh logic.

§ Một kênh vật lý được xác định bởi một cặp sóng mang cụ thể (nghĩa là bởi một RFC) và một khe thời gian trong khung TDMA.

Số lượng kênh vật lý tối đa của một hệ thống GSM là bao

nhiêu?

Ø Một kênh vật lý có thể hoạt động như:

ü Một kênh lưu lượng (traffic channel) để truyền thoại và dữ liệu cho người dùng.

2.4 Các kênh logic

Ø Kênh Logic là do kênh vật lý tách ra

ü Hoặc như một kênh điều khiển để truyền thông tin điều khiển và báo hiệu.

v Kênh lưu lượng và kênh điều khiển được gọi chung là

kênh logic (logic channel).

§ Các kênh lưu lượng ( T raffic Ch annel – TCH) khác nhau tuỳ theo:

ü Loại thông tin mà chúng vận chuyển: thoại được số hóa hoặc dữ liệu của người dùng.

ü Tốc độ truyền của kênh: full rate hoặc half rate.

ü Tốc độ của dữ liệu đối với truyền dữ liệu (nghĩa là tốc độ dữ liệu của người dùng thực sự được truyền), như:

2.4.1 Các kênh lưu lượng

o Dữ liệu toàn tốc cho 9.6 kb/s, 4.8 kb/s, £ 2.4 kb/s.

o Dữ liệu bán tốc cho 4.8 kb/s, £ 2.4 kb/s.