Báo hiệu số 7 trong mạng di động GSM

Báo hiệu số 7 trong mạng di động GSM Trong thông tin thoại báo hiệu có nghĩa là chuyển và hướng dẫn thông tin từ một điểm tới 1 điểm khác thích hợp để thiết lập , giám sát và giải phóng cuộc gọi . Thông thường tín hiệu báo hiệu chia làm 2 loại : tín hiệu báo hiệu mạch vòng thuê bao và tín hiệu báo hiệu giữa các tổng đài . Tín hiệu báo hiệu giữa các tổng đài được chia thành tín hiệu báo hiệu kênh liên kết (CAS) ví dụ như tín hiệu báo hiệu trong băng hoặc ở kênh lien kết gần với kênh thoại .

2

AUC : Trung tâm nhận thực

VLR : Bộ đăng kí định vị tạm trú

HLR : Bộ đăng kí định vị thường trú

EIR : Bộ ghi nhận dạng thiết bị

MSC : Trung tâm chuyển mạch di động

PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

CSPDN : Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh

PLMN : Mạng di động công cộng mặt đất

MS : Máy di động

2 Khái niệm chung về báo hiệu :

Trong thông tin thoại báo hiệu có nghĩa là chuyển và hướng dẫn thông tin

từ một điểm tới 1 điểm khác thích hợp để thiết lập , giám sát và giải

phóng cuộc gọi

Thông thường tín hiệu báo hiệu chia làm 2 loại : tín hiệu báo hiệu mạch vòng thuê bao và tín hiệu báo hiệu giữa các tổng đài Tín hiệu báo hiệu giữa các tổng đài được chia thành tín hiệu báo hiệu kênh liên kết (CAS) ví dụ như tín hiệu báo hiệu trong băng hoặc ở kênh lien kết gần với kênh thoại Thứ 2 là báo hiệu kênh chung (CCS) có nghĩa là tất cả các tín hiệu báo hiệu ở 1 kênh tách biệt với tín hiệu thoại và kênh báo hiệu này được dung cho 1 số lượng lớn các kênh thoại

Hình 1 : phân loại các tín hiệu báo hiệu

a Báo hiệu giữa các tổng đài :

Tín hiệu báo hiệu

Thuê bao dấu nối tới

tổng đài

Tổng đài nối tới tổng

đài

Thông tin báo hiệu giữa các tổng đài bao gồm tín hiệu đường dây và tín hiệu của bộ đăng ký Các tín hiệu của bộ đăng ký được sử dụng trong

quá trình thiết lập cuộc gọi để chuyển giao địa chỉ và loại thông tin Các tín hiệu đường dây được sử dụng trong suốt quá trình diễn ra cuộc gọi để giám sát trạng thái của đường dây các tín hiệu như vậy được mang hay

liên kết trực tiếp với kênh thoại cho nên kiểu báo hiệu truyền thống này gọi là báo hiệu kênh liên kết

Hình 2 : Các tín hiệu báo hiệu giữa các tổng đài

b Các loại báo hiệu :

- Báo hiệu kênh liên kết CAS

- Báo hiệu kênh chung CCS : ở đây ta tập trung nói về hệ thống báo

hiệu số 7

- Ưu điểm của hệ thống báo hiệu số 7 :

 Xử lý nhanh : Trong hầu hết các trường hợp , thời gian thiết lập

cuộc gọi giảm xuống còn dưới 1s

 Dung lượng cao : mỗ kênh báo hiệu có thể xử lý tín hiệu báo hiệu cho vài nghìn cuộc gọi một lúc

 Tính kinh tế : Cần số lượng thiết bị ít hơn so với các hệ thống báo hiệu truyền thống

 Độ tin cậy cao : Nhờ sử dụng các tuyến báo hiệu đan xen nên

mạng báo hiệu số 7 có độ tin cậy cao

 Linh hoạt : Hệ thống chứa nhiều loại tín hiệu , có thể sử dụng cho nhiều mục đích chứ không chỉ riêng cho thoại

Chiếm

B trả lời

Xóa ngược Xóa thuận

Tổng đài Tổng đài

Con số của B

Đàm thoại

4

Do có nhiều ưu điểm như trên nên hệ thống báo hiệu số 7 được ứng dụng rất nhiều trong các dịch vụ viễn thông mới như : PSTN , ISDN , IN , PLMN Sau đây ta đi tìm hiểu hoạt động của báo hiệu số 7 trong mạng GSM

3 Báo hiệu số 7 trong GSM

Hình 3 : Báo hiệu số 7 trong mạng GSM

Báo hiệu trong mạng di động phức tạp hơn rất nhiều so với báo hiệu trong mạng điện thoại thông thường vì các MS thường xuyên di động nên thường xuyên phải cập nhật vị trí địa lý tương đối của nó them 1 yêu cầu nữa là phải

có tín hiệu báo hiệu lúc MS di chuyển sang ô bên cạnh , từ các điều này yêu cầu phải có 1 hệ thống báo hiệu nhanh và chính xác

a Các bản tin báo hiệu trong việc thiết lập một cuộc gọi

 Cuộc gọi của thuê bao di động đến thuê bao cố định :

Hệ thống chuyển mạch (SS) MAP

TUP

BTS

LAPD

LAPDm BSSA

i Giả thiết MS đang hoạt động thiết bị dò tần số GSM để tìm kênh điều khiển Sau đó, thiết bị đo cường độ của tín hiệu từ các kênh và ghi lại Cuối cùng thì chuyển sang kết nối với kênh

có tín hiệu mạnh nhất.Thuê bao sử dụng MS gọi là A muốn thực hiện 1 cuộc gọi tới 1 thuê bao cố định B Thuê bao A sẽ quay tất cả những chữ số của thuê bao B và ấn phím gọi đi nó

sẽ khởi đầu một tin báo “yêu cầu kênh” từ MS tới BSS Điều này được thực hiện bằng việc BSS chỉ định một kênh điều khiển riêng (DCCH) và một kênh báo hiệu giữa MS và BSS được thiết lập

ii Tin báo “yêu cầu dịch vụ” được gửi từ BSS tới MSC sau đó tiếp tục được chuyển tới VLR VLR sẽ tiến hành nhận thực nếu trước đây MS đăng ký ở VLR này nếu không phải như vậy thì VLR sẽ lấy các thông số nhận thực từ HLR

iii Nhận thực thuê bao (tùy chọn )diễn ra bằng cách sử dụng tin báo nhận thực và các thuật toán bảo mật và nếu nhận thực thành công thì việc thiết lập cuộc gọi tiếp tục Nếu mật mã được sử dụng thì nó được dùng từ thời điểm nhận thực thành công

iv Tin báo “thiết lập”được gửi tới MSC cùng với thông tin về cuộc gọi (loại cuộc gọi , số bị gọi …) tin báo này hướng từ MSC tới VLR

v MSC có thể khởi đầu việc kiểm tra IMEI của MS

vi Trong việc trả lời tin báo “thiết lập” (được gửi ở bước iv ), VLR gửi tin báo “hoàn thành thiết lập cuộc gọi” tới MSC và MSC sẽ thông tin cho MS biết phương thức tiến hành cuộc gọi

vii Sau đó MSC sẽ chỉ định một kênh lưu lượng tới BSS (“lệnh chỉ

định”),BSS này lại ấn định một kênh lưu lượng trên giao diện

vô tuyến , MS trả lời tới BSS (BSS này lại trả lời MSC) với tin báo hoàn thành địa chỉ

viii Một tin báo “địa chỉ đầu và địa chỉ cuối -IFAM”(Initial Final

Address Message) được gửi tới mạng PSTN , mạng PSTN xử lý gây rung chuông bên thuê bao cố định và cấp tín hiệu hồi âm chuông về thuê bao di động

ix Khi thuê bao B trả lời “ANS” tin báo “đấu nối” được hướng tới

MS từ MSC , MSC cấp tín hiệu điều khiển ngắt hồi âm chuông

ở MS , Sau đó MS nối một kênh lưu lượng GSM tới mạch PSTN , như vậy việc đấu nối từ thuê bao di động tới thuê bao

cố định đã hoàn thành và quá trình đàm thoại bắt dầu diễn ra

Yêu cầu ID thiết bị

Cuộc gọi hoàn

Các chi tiết thuê bao

<SDCCH>

(Thông tin cuộc gọi)

 Thuê bao cố định gọi thuê bao di động :

Điểm khác biệt quan trọng so với gọi từ thiết bị di động là vị trí của thiết

bị không được biết chính xác Chính vì thế trước khi kết nối, mạng phải thực hiện công việc xác định vị trí của thiết bị di động

i Từ điện thọai cố định, số điện thoại di động được gửi đến mạng PSTN Mạng sẽ phân tích, và nếu phát hiện ra từ khóa gọi ra mạng di động, mạng PSTN sẽ kết nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác thích hợp

ii GMSC phân tích số điện thoại di động để tìm ra vị trí đăng ký gốc trong HLR của thiết bị và cách thức nối đến MSC/VLR phục vụ

iii HLR phân tích số điện thoại di động để tìm ra MSC/VLR đang phục vụ cho thiết bị Nếu có đăng ký dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi đến, cuộc gọi sẽ được trả về GMSC với số điện thoại được yêu cầu chuyển đến

iv HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ

v MSC/VLR gửi thông điệp trả lời qua HLR đến GMSC

vi GMSC phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến

MSC/VLR vii MSC/VLR biết địa chỉ LA của thiết bị nên gửi thông điệp đến

BSC quản lý LA này

viii BSC phát thông điệp ra toàn bộ các ô thuộc LA

ix Khi nhận được thông điệp, thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngược lại

x BSC cung cấp một khung thông điệp chứa thông tin

xi Phân tích thông điệp của BSC gửi đên để tiến hành thủ tục bật trạng thái của thiết bị lên tích cực, xác nhận, mã hóa, nhận diện thiết bị

xii MSC/VLR điều khiển BSC xác lập một kênh rỗi, đỗ chuông

Nếu thiết bị di động chấp nhận trả lời, kết nối được thiết lập Trong trường hợp thực hiện cuộc gọi từ thiết bị di động đến thiết bị di động, qúa trình cũng diễn ra tương tự nhưng điểm giao tiếp với mạng PSTN của điện thoại cố định sẽ được thay thế bằng MSC/VLR khác

Sơ đồ quá trình thiết lập cuộc gọi từ thuê bao cố định sang di động như sau

Gửi thông tin cho

thiết lập cuộc gọi

(LAI&TMSI) Nhắn tin

<PCH>

(TMSI) Yêu cầu kênh <RACH>

<FACCH>

Bắt đầu tính cước

<TCH>

- Nhận tin nhắn :

i Người dùng gửi tin nhắn đến SMS-C

ii SMS-C gửi tin nhắn đến SMS-GMSC

iii SMS-GMSC truy vấn HLR về thông tin định tuyến

iv HLR đáp ứng truy vấn

v SMS-GMSC chuyển thông điệp lại cho MSC/VLR chỉ định

vi Tiến hành nhắn tin tìm kiếm và kết nối thiết bị vào mạng

vii Nếu xác thực thành công, MSC/VLR sẽ phát tin nhắn đến thiết bị viii Nếu truyền nhận tin nhắn thành công, MSC/VLR sẽ gửi báo cáo về

SMS-C; ngược lại, MSC/VLR sẽ thông báo cho HLR và gửi báo cáo lỗi về SMS-C

4 Sử dụng SCCP :

Trong mạng GSM , SCCP được sử dụng trong các trường hợp sau :

 Ở giao diện giữa MSC và BSC (gọi là giao diện A) , SCCP được sử dụng bởi 2 phần ứng dụng : phần ứng dụng BSS (BSSAP) để điều khiển cuộc gọi , các dịch vị liên quan và phần ứng dụng vận hành và bảo dưỡng BSS (BSSOMAP) cho các mục đích khai thác và bảo

dưỡng Sử dụng giao thức lớp 0 và lớp 2

 Các giao diện giữa các khối trong SS (VLR , HLR , AUC và EIR) sử dụng SCCP cùng với phần ứng dụng khả năng trao đổi (TCAP) và phần ứng dụng di động (MAP)

Ở giao diện A có thể có các quá trình liên quan hoặc không liên quan đến kênh của người sử dụng Chẳng hạn khi thiết lập cuộc gọi một số bản tin được trao đổi trước khi kênh của người sử dụng được ấn định cho cuộc gọi Để tránh sự khác biệt không cần thiết cho các trường hợp khác nhau, trên toàn bộ mạng SCCP được sử dụng ở giao diện A (nghĩa là CIC không được sử dụng ở nhãn định tuyến) Nếu cần CIC trong bản tin thì nó được viết vào BSSAP hoặc BSSOMAP

Các lĩnh vực sau đây ở GSM có thể không sử dụng SCCP :

- Giao diện vô tuyến giữa trạm di động và trạm gốc, giao diện Abis giữa trạm BTS và BSC

10

- Quá trình thiết lập và xoá cuộc gọi giữa các MSC, phần người sử dụng liên quan đến kênh sử dụng, phương pháp báo hiệu liên kết kênh (MFC R2), các tiến trình liên quan đến mạng cố định

 SCCP định địa chỉ :

Nhiều địa chỉ SCCP được cần thiết để truy nhập các thành phần của hệ thống di động và định tuyến các bản tin hoặc hỗ trợ sự trao đổi với các tổng đài của mạng cố định Các phần sau được coi là các điểm đầu cuối :

- Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC)

- Bộ ghi định vị thường trú (HLR)

- Bộ ghi định vị tạm trú (VLR)

4.1 Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC)

Địa chỉ của SCCP được yêu cầu trong những trường hợp sau :

1 Bởi VLR khi vị trí của một máy di động cần phải được xác định

2 Bởi VLR khi trả lời một sự trao đổi hoặc khởi tạo bởi MSC

3 Bởi HLR để công nhận một yêu cầu hoặc thông tin từ MSC

4 Bởi MSC khác trong trường hợp chuyển giao

Trong trường hợp 1 , VLR biết mã điểm báo hiệu (SPC) của MSC và

có thể sử dụng nó như một địa chỉ cho tin báo

Trong trường hợp 2 và 3 sự trao đổi được khởi tạo bởi chính MSC, vì vậy bản tin nhận được chứa thông tin cần thiết trong trường địa chỉ cuộc gọi Nếu cả hai thành phần cùng trong một quốc gia, được nối tới cùng một mạng báo hiệu thì địa chỉ được gửi đến có thể là SPC của MSC Nếu thành phần ở xa không cùng trong một mạng báo hiệu thì một tên toàn cầu phải được gửi ; đây là thông tin có thể là số roaming của trạm di động thích hợp hoặc một số được gửi trong dãy được phân cho MSC đó và sử dụng như một địa chỉ dịch vụ để nhận dạng tổng đài

Trong trường hợp 4 , MSC được gọi là tổng đài lân cận MSC nguồn vì vậy biết nhận dạng và địa chỉ của MSC đích

4.2.1 Bộ ghi định vị thường trú HLR :

HLR được gọi trong các trường hợp sau :

1 Bởi tổng đài cố định gọi MSC cổng khi một cuộc gọi tới thuê bao di động phải được thiết lập Sự hỏi này được sử dụng để biết được số roaming của máy di động

2 Bởi VLR khi phải thực hiện một thủ tục cập nhật vị trí

3 Bởi VLR khi nó phải yêu cầu hoặc gửi một vài số liệu liên quan tới một thuê bao nằm trong vùng của nó

4 Bởi một MSC khi phải thông tin trực tiếp tới HLR

Trong trường hợp 1 , thông tin địa chỉ là số ISDN của thuê bao di động được gọi Nếu cả hai đầu cuối cần trao đổi nằm trong cùng một quốc gia, SCCP có thể dịch địa chỉ này thành mã điểm báo hiệu (SPC) của HLR Nếu chúng ở hai quốc gia khác nhau, số ISDN có thể được sử dụng như một tên toàn cầu để truy nhập tới HLR

Trong trường hợp 2 có thể có hai trường hợp :

 VLR và HLR cùng trong một quốc gia hoặc cùng một mạng PLMN

Do đó VLR có thể có một bảng giao dịch trong đó SPC của HLR có thể được biết từ những số đầu tiên của IMSI

 VLR và HLR không cùng trong một quốc gia Để định tuyến bản tin cập nhật vị trí, số liệu duy nhất được biết bởi VLR là IMSI của thuê bao di động Số IMSI không tuân theo luật kế hoạch đánh số ISDN Một cách giải quyết là sử dụng trực tiếp số IMSI như là tên toàn cầu

để đánh địa chỉ HLR

Trong trường hợp thứ nhất, VLR có sự trao đổi đầu tiên không phải với HLR, thủ tục cập nhật vị trí đã được thực hiện Vì vậy VLR đã chứa địa chỉ của HLR :

a) Nếu cả hai cùng một quốc gia thì địa chỉ được chứa là SPC của HLR

b) Nếu cả hai không cùng nằm trong cùng một quốc gia thì địa chỉ được chứa là một tên toàn cầu cho SCCP Địa chỉ này có thể là

số ISDN quốc tế của thuê bao di động hoặc một số được cấp để chỉ rõ HLR Trong trường hợp này không khó khăn để tạo tuyến bản tin

Trong trường hợp thứ hai : trạm di động đã đăng ký trong VLR Khi GMSC muốn khởi tạo một sự trao đổi với HLR, nó yêu cầu

từ VLR của nó địa chỉ của SCCP được gọi

4.3 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) :

Sự trao đổi với VLR xuất hiện trong những trường hợp sau :

3 Một VLR khác phải yêu cầu một số IMSI từ VLR đó

Trong trường hợp 1 , do mối quan hệ đặc biệt giữa VLR và MSC của nó, MSC biết mã điểm báo hiệu (SPC) cần thiết để đánh địa chỉ cho các bản tin

Khi cập nhật vị trí, VLR gửi đến HLR địa chỉ mà có thể được sử dụng trong sự trao đổi HLR chứa nó và sau đó không có vấn đề gì để bắt đầu một sự trao đổi Vì vậy trường hợp 2 đã được giải quyết

5 Phần ứng dụng di động (MAP - Mobile Application):

Phần ứng dụng di động (MAP) cung cấp các thủ tục báo hiệu cần thiết được yêu cầu để trao đổi thông tin giữa các phần tử của mạng GSM

Ở mô hình OSI, MAP ở trên TCAP Cả MAP và TCAP đều thuộc về lớp 7 TCAP có thể được hỗ trợ bởi các lớp trình bày, lớp phiên và lớp vận chuyển, các dịch vụ và các giao thức, được gọi là phần dịch vụ trung gian (ISP) Đối với các dịch vụ không đấu nối được MAP sử dụng thì ISP được coi là trong suốt có nghĩa là không được sử dụng

Vì vậy TCAP phối ghép phần điều khiển đấu nối báo hiệu SCCP cùng với phần chuyển giao bản tin MTP phục vụ như nhà cung cấp dịch vụ của mạng

MAP được chia thành 5 thực thể ứng dụng (AE : Application Entity)

là : MAP - MSC , MAP - HLR , MAP - VLR , MAP - EIR , MAP - AUC Tất cả các thực thể này mỗi cái được phân định một số phân hệ (SSN) Các SSN được SCCP sử dụng để định địa chỉ một thực thể nào

đó của mạng GSM

Mỗi AE bao gồm một số các phần tử dịch vụ ứng dụng (ASE -

Application Service Element) Các ASE được nhóm lại như là các ASE chung và các ASE đặc biệt TCAP là một ASE chung và luôn luôn chứa các MAP - ASE Các ASE hỗ trợ việc hòa mạng các AE và bao gồm một hoặc vài sự hoạt động với các lỗi và các tham số liên quan của chúng Những sự hoạt động được sử dụng kết hợp để thực hiện một nhiệm vụ nào đó

Hình 4 : Các thực thể ứng dụng (AE) và các phần tử dịch vụ ứng dụng (ASE) trong MAP

Các thủ tục được thực hiện trong MAP là :

1 Cập nhật vị trí

2 Huỷ bỏ vị trí

3 Quản lý các thông tin của thuê bao

4 Điều khiển, quản lý, thu nhận các dịch vụ thuê bao

TCAP (ASE) Phân lớp phần tử

14

5 Chuyển các số liệu bảo mật, nhận thực

6 Điều khiển các dịch vụ phụ

7 Thực hiện chuyển ô

6 Báo hiệu giữa MSC và BSS (BSSAP)

Giao tiếp giữa MSC và BSS là giao tiếp A MSC và hệ thống trạm cơ

sở (BSS) được nối với nhau nhờ một kênh PCM Ngoài một số các kênh thoại hoặc số liệu còn có các khe thời gian dự trữ cho báo hiệu

Số liệu báo hiệu khi đấu nối thiết lập cuộc gọi, chuyển ô, giải phóng cuộc gọi thường sử dụng kênh này và nó có thể phục vụ cho một hoặc nhiều trạm thu phát cơ sở (BTS) Các giao thức được sử dụng cho báo hiệu giữa MSC và BSS là BSSAP (BSS Application - Phần ứng dụng của BSS), SCCP và MTP

Phần điều khiển đấu nối báo hiệu (SCCP) cung cấp khả năng để mang thông tin giữa MSC và BSS SCCP cung cấp 2 nguyên tắc báo hiệu khác nhau là : Báo hiệu không đấu nối (CL) và Báo hiệu đấu nối định hướng (CO) Khi một số các tin báo liên quan được phát đi, sự đấu nối báo hiệu logic có thể được thiết lập và các tin

MSC

Hình 5: Báo hiệu giữa MSC và BSS