TRƯỜNG CĐ PHÁT THANH _ TRUYỀN HÌNH I KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập Tự do Hạnh phúc ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: HÁN VĂN ĐÔNG Lớp: LTVT9C Khóa 9 ( 2013_2015) Ngành đào tạo: Cao đẳng chính quy 1 Tên khóa luận tốt nghiệp: THÔNG TIN DI ĐỘNG 2 Nội dung chính của khóa luận: 1 Tổng quan mạng thông tin di động GSM 2 Truyền sóng trong thông tin di động GSM 3 Cơ sở dữ liệu ban đầu Tổng quan về hệ thống viễn thông – Hoc viện Bưu chính Viễn thông Giáo trình thông tin di động _ Phạm Công Hùng 4 Ngày giao khóa luận: 01102014 5 Ngày nộp khóa luận: 15122014 TRƯỞNG KHOA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Trần Văn Hội Đặng Ngọc Hà TRƯỜNG CAO ĐẲNG PHÁT THANH – TRUYỀN HÌNH I BẢN NHẬN XÉT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: HÁN VĂN ĐÔNG Lớp: LTVT9C............................................. Khoá 9 ( 2013 – 2015) Giảng viên hướng dẫn: ĐẶNG NGỌC HÀ Cán bộ phản biện: ................................................................................................. 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................Nhận xét của cán bộ phản biện: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
Trang 1TRƯỜNG CĐ PHÁT THANH _ TRUYỀN HÌNH I
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: HÁN VĂN ĐÔNG
Lớp: LTVT9C Khóa 9 ( 2013_2015)
Ngành đào tạo: Cao đẳng chính quy
1/ Tên khóa luận tốt nghiệp: THÔNG TIN DI ĐỘNG
2/ Nội dung chính của khóa luận:
1/ Tổng quan mạng thông tin di động GSM
2/ Truyền sóng trong thông tin di động GSM
3/ Cơ sở dữ liệu ban đầu
Tổng quan về hệ thống viễn thông – Hoc viện Bưu chính Viễn thông
Giáo trình thông tin di động _ Phạm Công Hùng
4/ Ngày giao khóa luận: 01/10/2014
5/ Ngày nộp khóa luận: 15/12/2014
TRƯỞNG KHOA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Trần Văn Hội Đặng Ngọc Hà
Trang 2TRƯỜNG CAO ĐẲNG PHÁT THANH – TRUYỀN HÌNH I
BẢN NHẬN XÉT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: HÁN VĂN ĐÔNG
Lớp: LTVT9C Khoá 9 ( 2013 – 2015)
Giảng viên hướng dẫn: ĐẶNG NGỌC HÀ
Cán bộ phản biện:
1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
Nhận xét của cán bộ phản biện:
Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
Trang 3MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT 6
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM 14
1.1 Lịch sử phát triển của mạng GSM: 14
1.2 Mạng thông tin di động: 16
1.4.2 Các dịch vụ số liệu: 18
1.4.3 Dịch vụ bản tin nhắn: 18
1.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM: 19
1.5.1 Về khả năng phục vụ: 19
1.5.2 Về chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật: 19
1.5.3 Về sử dụng tần số: 20
1.5.4 Về mạng: 20
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN MẠNG GSM 21
1.1 Cấu trúc địa lý của mạng: 21
1.1.1 Vùng phục vụ PLMN ( Public Lan Mobile Network ): 22
1.1.2 Vùng mạng: 22
1.1.3 Vùng phục vụ MSC: 22
1.1.4 Vùng định vị LA( Location Area): 23
1.1.5 Ô (Cell): 23
1.2 Cấu trúc mạng GSM: 24
1.3 Các thành phần chức năng trong hệ thống : 25
1.3.1 Hệ thống trạm gốc BSS (Base Station Subsystem): 25
2.3.2 Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem ) : 28
2.4 Trạm di động (MS – Mobile Station): 34
2.5 Phân hệ khai thác và hỗ trợ (OSS): 35
2.5.1 Khai thác: 35
2.5.2 Bảo dưỡng: 35
Trang 42.5.3 Quản lý thuê bao: 36
2.5.4 Quản lý thiết bị di động: 36
CHƯƠNG III: CHUYỂN GIAO HANDOVER TRONG GSM 37
3.1 Các loại chuyển giao : 38
3.1.1 Chuyển giao trong BTS: 38
3.1.2 Chuyển giao trong cùng BSC: 39
3.1.3 Chuyển giao trong cùng MSC: 39
3.1.4 Chuyển giao giữa các MSC: 40
CHƯƠNG IV: GIAO TIẾP VÔ TUYẾN SỐ 41
4.2 Suy hao đường truyền và Fading: 42
4.3 Phân tán thời gian: 44
4.4 Các phương pháp phòng suy hao đường truyền do Fading: 46
4.5 Phương pháp chống phân tán thời gian: 49
4.6 Nguyên tắc khi chia kênh theo thời gian: 50
4.6.1 Khái niệm về khe vô tuyến: 50
4.6.2 Kênh vật lý: 50
4.6.3 Kênh logic: 53
4.7 Chia kênh logic theo khe thời gian: 55
CHƯƠNG V: TRUYỀN SÓNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 58
5.1: Suy hao đường truyền và pha đinh 58
5.2 Các phương pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do pha đinh. 59
5.2.1 Phân tập anten 59
5.2.2 Nhảy tần. 60
5.2.3 Mã hoá kênh 60
5.3 Kết nối truyền số liệu trong GSM 62
5.4 Cấu trúc khung TDMA 63
5.5 Ứng dụng báo hiệu số 7 64
5.6 Quá trình cuộc gọi và chuyển giao 65
5.6.2 Nhận thực và mật mã: 66
Trang 55.6.3 Nhận dạng ME 66
KẾT LUẬN 68
Trang 6quảng bá
gốc
Part
Phần ứng dụng trạm gốc
nhiễu lân cận
chung
Telephone Consultative Committee
Ủy ban tư vấn quốc
tế về điện thoại và điện báo
Access
Đa truy nhập chia theo mã
Post an Telecommunication
Liên minh Châu Âu
về Bưu Chính Viễn Thông
Trang 7nhiễu đồng kênh
sóng phản xạ
dành riêng
Telecomunications Standards Institue
Viện tiêu chuẩn VTCA
Register
Bộ ghi nhận dạng thiết bị
Rate
Tỉ lệ thành công Handover
Trang 8LA Location Area Vùng định vị
định vị
Dchanel
Các thủ tục truy nhập đường truyền kênh D
Bắc Âu
Network
Mạng di động mặt đất công cộng
Network
Mã số liệu công cộng chuyển mạch gói
Network
Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
Trang 9RACH Random Access Chanel Kênh truy cập ngẫu
nhiên
Mode
Đặt chế độ cân bằng không đồng bộ
dành riêng
thuê bao
mạch
Trang 10DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1 Thành phần di động trên thế giới năm 2006
Hình 2.1 Phân vùng cấu trúc địa lý mạng GSM
Hình 2.2 Phân vùng và chia ô
Hình 2.3Mô hình hệ thống GSM
Hình 2.4 Chức năng xử lý cuộc gọi của MSC
Hình 3.1 Chuyển giao trong mạng GSM
Hình 3.2 Chuyển giao trong BTS
Hình 3.3 Chuyển giao trong cùng BSC
Hình 3.4 Chuyển giao trong cùng MSC
Hình 3.5 Chuyển giao giữa các MSC khác nhau
Hình 4.1 Fading chuẩn Logarit
Trang 11Hình 4.7 Ghép các BCH và CCCH ở Ts0
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cuộc cách mạng của các nghành khoa học kĩ thuật đã vàđang phát triển rất mạnh mẽ đặc biệt là trong lĩnh vực Công Nghệ ThôngTin và Điện Tử - Viễn Thông Hơn nữa thông tin di động hiện nay còn trởthành một dịch vụ kinh doanh không thể thiếu của các nhà khai thác dịch
vụ viễn thông Những thành tựu của Công Nghệ Thông Tin và Điện Tử Viễn Thông có nhiều ứng dụng to lớn và trở thành một phần quan trọngtrong cuộc sống của chúng ta ngày nay
Đối với các khác hàng viễn thông nhất là đối với các nhà doanhnghiệp viễn thông thì thông tin di động trở thành một phương tiện quenthuộc Các dịch vụ thông ti di động không còn hạn chế đối với các kháchhàng giàu có mà đã phát triển cho mọi đối tượng khách hàng Cùng với sựphát triển của đất nước thì Công nghệ thông tin cũng có những bước pháttriển vượt bậc so với sự phát triển của các nghành khác như: điện, điện tử,tin học, quang học… Các quốc gia đều coi viễn thông là nghành mũi nhọn
và được đầu tư thích đáng trong nhiều nghiên cứu và trong ứng dụng côngnghệ thông tin làm đòn bẩy để kích thích sự phát triển của nghành kinh tếquốc dân khác
Ngày nay với nhu cầu cả về số lượng và chất lượng của khách hàng
sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng cao, đòi hỏi phải có nhữngphương tiện thông tin hiện đại, đáp ứng nhu cầu đa dạng của khách hàngmọi lúc, mọi nơi họ cần.Và mạng GSM với những ưu điểm nổi bật như:dung lượng lớn, chất lượng tốt, tính bảo mật cao…thì sự ra đời của mạng di
Trang 12động GSM đã đáp ứng được các yêu cầu cao, cần thiết cho toàn xã hội.Nghành thông tin di động được coi là nghành mũi nhọn cần phải đi trướcmột bước làm cơ sở cho các nghành khác phát triển, nhu cầu trao đổi, cậpnhật thông tin của con người ở mọi lúc, mọi nơi ngày càng cao Các hệthống thông tin di động ra đời và phát triển đã trở thành một loại hình dịch
vụ, phương tiện thông tin phổ biến, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống hiệnđại Các hệ thống thông tin di động đang phát triển rất nhanh cả về quy mô,dung lượng và đặc biệt là các loại hình dịch vụ mới để đáp ứng tốt hơn nhucầu của người sử dụng Những năm gần đây, lĩnh vực thông tin di độngtrong nước đã có những bước phát triển vượt bậc cả về cơ sở hạ tầng lẫnchất lượng phục vụ Với sự hình thành của nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễnthông mới đã tạo ra sự cạnh tranh để thu hút thị thị trường thuê bao giữacác nhà cung cấp dịch vụ Hơn nữa, các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa
ra các chính sách khuyến mại, giảm giá cước… cũng thu hút được rất nhiềukhách hàng sử dụng dịch vụ Mặt khác, mức sống chung của toàn xã hộingày càng được nâng cao khiến cho số lượng các thuê bao sử dụng dịch vụ
di động tăng đột biến trong vài năm gần đây
Tại Việt Nam, mạng di động số thế hệ thứ 2 (2G) sử dụng công nghệGSM đã và đang phát triển rộng khắp các tỉnh thành trong cả nước Côngnghệ GSM sử dụng dải tần 900Mhz, 9,6Kbps chỉ được áp dụng cho cácdịch vụ thoại, dịch vụ bản tin nhắn, hạn chế nhiều dịch vụ phi thoại yêu cầu
có tốc độ cao như hình ảnh, gửi hình ảnh, văn bản và truy cập Internet Đồng thời với sự phát triển của mạng di động sử dụng công nghệ GSM,ngày nay, không chỉ có các nước tiên tiến trên thế giới mà ở nước ta cũng
đã phát triển rất mạnh các mạng sử dụng công nghệ cao hơn như: GPRS,3G, W – CDMA(4G) Các mạng di động sử dụng công nghệ cao đó có tốc
độ truy cập nhanh hơn, cung cấp nhiều loại hình dịch vụ tiên tiến mà GSMkhông cung cấp được và cũng đáp ứng được nhu cầu sử dụng viễn thônghiện nay của khách hàng sử dụng mạng Có thể nói, ngày nay hệ thống
Trang 13công nghệ thông tin cũng như hệ thống thông tin di động liên tục thay đổi
và phát triển nhanh chóng Hay nói cách khác là chúng thay đổi, nâng cấptheo từng ngày, biến đổi từng giờ Tuy vậy, các khai niệm cơ bản nền tảng
về hệ thống thông tin di động thì không thay đổi Bởi tất cả các công nghệtiên tiến bây giờ đều được cải tiến từ các nền tảng cơ bản đó Do vậy, dựatrên những hiểu biết thực tế em đã tìm hiểu và những kiến thức tích lũytrong ba năm học tập chuyên ngành Điện Tử - Viễn Thông tại trường Cao
Đẳng Phát Thanh – Truyền Hình I Em đã chọn đề tài Tổng Quan Về Hệ
Thống Mạng Thông Tin Di Động GSM
Em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy Đặng Ngọc Hà Em
xin chân trọng cảm ơn thầy Em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất
cả các thầy, cô giáo trong khoa Kỹ Thuật Điện Tử trường Cao Đẳng PhátThanh – Truyền Hình I, nơi đã dạy dỗ và dìu dắt em trong suốt ba năm họctại trường
Hà Nam tháng năm 2014
Sinh viên thực hiện:
HÁN VĂN ĐÔNG
Trang 14
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM
GSM là hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Anh: GlobalSystem for Mobile Communication, được viết tắt là: GSM) là một côngnghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch vụ GSM được sử dụng bởihơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Các mạng thông tin diđộng GSM cho phép có thể roaming với nhau Do đó những máy điện thoại
di động của các mạng GSM khác nhau ở chỗ có thể sử dụng ở nhiều nơitrên thế giới
GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thếgiới Khả năng có thể phủ sóng khắp nơi của chuẩn GSM khiến nó trở nênphổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của
họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn trước kia về cả tínhiệu, tốc độ lẫn chất lượng cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thốngĐTDĐ thế hệ thứ 2 (second generation, 2G ) GSM là một chuẩn mở, hiệntại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP)
1.1 Lịch sử phát triển của mạng GSM:
Vào đầu thập niên 1980, tại Châu Âu, người ta phát triển một mạngĐTDĐ chỉ sử dụng trong một số khu vực Sau đó năm 1982 nó được chuẩnhóa bởi CEPT (European Conference of Postal and TelecommunicationAdministrations) và tạo ra Groupe Spécial Mobile (GSM) với mục đíchphát triển một chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động để có thể sửdụng chung cho toàn Châu Âu Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệGSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi mạng Radiolinja ởPhần Lan
Vào năm 1989, công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSMđược chuyển cho Viện viễn thông Châu Âu (European
Trang 15Telecommunications Standards Istitute - ETSI) và các tiêu chuẩn, đặc tínhphase 1 của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990.
Năm 1992, Telstra Australia là mạng đầu tiên ngoài Châu Âu ký vàobiên bản ghi nhớ của GSM MoU (Memorandum of Understanding) Cũngtrong năm này, thỏa thuận chuyển vùng quốc tế đầu tiên được ký kết giữahai mạng Finland Telecom của Phần Lan và Vodafone của Anh Tin nhắnđầu tiên cũng được gửi đi trong năm 1992
Những năm sau đó, hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM pháttriển một cách mạnh mẽ, cùng với sự gia tăng nhanh chóng của các nhàđiều hành, các mạng di động mới thì số lượng các thuê bao cũng gia tăngmột cách chóng mặt Đến cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sửdụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia Năm 1996,
số thành viên GSM MoU đã lên tới 200 nhà điều hành từ gần 100 quốc gia,
167 mạng hoạt động trên 94 quốc gia với số thuê bao đạt trên 50 triệu Năm
2000, GPRS được ứng dụng Năm 2001, mạng 3GSM (UMTS) được đi vàohoạt động, số thuê bao GSM đã vượt quá 500 triệu Năm 2003, mạngEDGE đi vào hoạt động Cho đến năm 2006 số thêu bao di động GSM đãlên tới con số 2 tỉ với trên 700 nhà điều hành, chiếm gần 80% thị phầnthông tin di động trên thế giới Theo dự đoán của GSM Association, năm
2007 số thuê bao GSM sẽ đạt 2,5 tỉ
Trang 16Ví dụ: một đầu cuối trong TACS không thể truy nhập vào mạng NMT
cũng như một đầu cuối NMT không thể truy nhập vào mạng TACS
- Thứ ba: nếu thiết kế một mạng cho toàn Châu Âu thì không một nước nàođáp ứng được vì vốn đầu tư quá lớn
Tất cả những hạn chế trên dẫn đến một yêu cầu là phải thiết kế một hệthống mới được làm theo kiểu chung để có thể dùng cho nhiều nước Trướctình hình đó vào tháng 9/1987 trong hội nghị của Châu Âu về bưu chínhviễn thông, 17 quốc gia đang sử dụng mạng điện thoại đã họp hội nghị và
Trang 17ký vào biên bản ghi nhớ làm nền tảng cho mạng thông tin di động số làtoàn Châu Âu sử dụng dải tần 900 Mhz.
Đến năm 1988 viện tiêu chuẩn Châu Âu Telecommunication- Standard Institute) đã thành lập nhóm đặc trách vềmạng thông tin di động số GSM Nhóm này có nhiệm vụ đưa ra tiêu chuẩnthống nhất cho thông tin di động số GSM dưới hình thức các khuyến nghị,lấy các tiêu chuẩn này làm cơ sở cho việc xây dựng mạng thông tin di động
(European-và làm sao cho chúng thống nhất, tương thích nhau
- Tự động cập nhật vị trí cho mọi thuê bao di động
- Độ linh hoạt cao nhờ sử dụng các đầu cuối thông tin di động khác nhaunhư máy xách tay, máy cầm tay, đặt trên ô tô
- Sử dụng băng tần số 900MHz với hiệu quả cao nhờ sự kết hợp giữaTDMA (Time Division Multiple Access) với FDMA (Frequency DivisionMultiple Access)
- Giải quyết sự hạn chế dung lượng nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn
1.4 Các dịch vụ được tiêu chuẩn ở GSM.
1.4.1 Dịch vụ thoại:
- Chuyển hướng các cuộc gọi vô điều kiện
- Chuyển hướng cuộc gọi khi thuê bao di động không bận
- Chuyển hướng cuộc gọi khi không đến được MS
- Chuyển hướng cuộc gọi khi ứ nghẽn vô tuyến
Trang 18- Cấm tất cả các cuộc gọi ra.
- Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế
- Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế trừ các nước PLMN thường trú
- Chuyển tiếp cuộc gọi
- Hoàn thành các cuộc gọi đến các thuê bao bận
- Nhóm và sử dụng khép kín
- Dịch vụ ba phía
- Thông báo cước phí
- Dịch vụ điện thoại không tính cước
- Nhận dạng số chủ gọi
- Nhận dạng cuộc gọi hiềm thù
- Nhận dạng số thoại được nối
1.4.2 Các dịch vụ số liệu:
GSM được thiết kế để đưa ra rất nhiều các dịch vụ số liệu Các dịch vụ
số liệu được phân biệt với nhau bởi người sử dụng phương tiện (người sửdụng điện thoại PSTN, ISDN hoặc các mạng đặc biệt …) bởi bản chất củaluồng thông tin đầu cuối (dữ liệu thô, Fax, Videotex, Teletex…) Bởiphương tiện truyền dẫn (gói hay mạch, đồng bộ hay không đồng bộ…) vàbởi bản chất của thiết bị đầu cuối
Các dịch vụ này chưa thực sự thích hợp với môi trường di động Mộttrong các yêu cầu đó là do yêu cầu thiết bị đầu cuối khá cồng kềnh, chỉ phùhợp với mục đích bán cố định hoặc thiết bị đặt trên ô tô
1.4.3 Dịch vụ bản tin nhắn:
Trang 19Dịch vụ bản tin nhắn khá phù hợp với môi trường di động các bản tinnhắn độ dài vài octet có thể được tiếp nhận bằng thiết bị đầu cuối rất nhỏ.
Có hai loại dịch vụ bản tin nhắn:
- Dịch vụ bản tin nhắn truyền điểm – điểm (giữa hai thuê bao) Loại nàyđược chia thành hai loại nhỏ:
+ Dịch vụ bản tin nhắn kết cuối di động, điểm – điểm (SMS- MO/ PP).Cho phép người sử dụng GSM nhận các bản tin nhắn
+ Dịch vụ bản tin nhắn khởi đầu từ Mobile, điểm – điểm (SMS-MI/PP).Cho phép người sử dụng GSM gửi bản tin đến người sử dụng GSM khác
- Dịch vụ bản tin nhắn phát quảng bá: cho phép bản tin nhắn gửi đến máy
di động trên một vùng địa lý nhất định
1.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM:
Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do củacác thuê bao trong khu vực Châu Âu, có nghĩa là một thuê bao có thể thâmnhập sang mạng của các nước khác khi di chuyển sang biên giới Trạm diđộng GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi thôngtin ở bất cứ nơi nào phủ sóng quốc tế
Trang 20- Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệthống di động tương tự trước đó trong điều kiện vận hành thực tế.
- Hệ thống có khả năng bảo mật, mã hóa thông tin người dùng mà khôngảnh hưởng đến hệ số cũng như không ảnh hưởng đến các thuê bao kháckhông dùng đến khả năng này
1.5.3 Về sử dụng tần số:
- Hệ thống cho phép mức độ cao và hiệu quả của dải tần mà có thể phục vụ
ở vùng thành thị và nông thôn cũng như các dịch vụ mới phát triển
- Dải tần số hoạt động là 890- 915 và 935-960 Mhz
- Hệ thống GSM 900 Mhz phải có thể tồn tại cùng các hệ thống dùng 900Mhz trước đây
1.5.4 Về mạng:
- Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT
- Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT
- Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi đượcnhận dùng trong các mạng khác nhau
- Trung tâm chuyển mạng và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báohiệu được tiêu chuẩn hóa quốc tế
- Chức năng bảo vệ thông tin báo hiệu và thông tin điều khiển mạng phảiđược cung cấp trong hệ thống
Trang 21
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN MẠNG GSM
1.1 Cấu trúc địa lý của mạng:
Mỗi một mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định, để định tuyếncác cuộc gọi đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi Trongmạng di động thì cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuêbao trong mạng Trong hệ thống GSM thì cấu trúc có thể được chia thànhcác phân vùng sau:
Trang 221.1.1 Vùng phục vụ PLMN ( Public Lan Mobile Network ):
Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của cácquốc gia thành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạngGSM khác nhau có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới
Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ PLMN, đó có thể là một hay nhiềuvùng trong một quốc gia tùy theo kích thước của vùng phục vụ
Kết nối các đường truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạngkhác (cố định hay di động) đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc
tế Tất cả các cuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều được định tuyếnthông qua tổng đài vô tuyến cổng G- MSC (Gateway – Mobile ServiceSwitching Center) G-MSC làm việc như một tổng đài trung kế vào choGSM/PLMN
vụ của MSC được lưu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR Một vùngmạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụMSC/VLR
Trang 231.1.4 Vùng định vị LA( Location Area):
Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị
LA Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, ở đó có mộttrạm di động có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về
vị trí của tổng đài MSC điều khiển vùng định vị này Khi có cuộc gọi đến,
hệ thống sẽ phát quảng bá một thông báo tìm thuê bao bị gọi Vùng định vị
LA được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạtđộng Vùng này có thể có một số ô và thuộc vào một hay vài BSC nhưng
nó chỉ thuộc vào MSC và nó được nhận dạng bằng chỉ số vùng nhận dạngvùng định vị LAI (location Area Identity) Vùng định vị được hệ thống sửdụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động
LAI = MCC + MNC +LAC
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)
1.1.5 Ô (Cell):
Vùng định vị được chia thành một số ô Ô là đơn vị nhỏ nhất củamạng, là một vùng bao phủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng chỉ sốnhận dạng ô toàn cầu CGI (Cell Global Identity) Mỗi ô được quản lý bởimột trạm vô tuyến gốc BTS
CGI = MCC + MNC + LAC + CI
CI: Nhận dạng một ô để xác định vị trí trong vùng định vị Trạm di động tựnhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (BaseStation Identity Code)
Trang 241.2 Cấu trúc mạng GSM:
Hệ thống GSM có thể chia thành nhiều hệ thống con
Hệ thống con chuyển mạch SS (Switching Subsystem), hệ thống con trạmgốc BSS (Base Station Subsystem), hệ thống khai thác và bảo dưỡng mạngOMC (Operations & Maintenance Center)
Trang 25- MSC: Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (gọi tắt là tổng đài vôtuyến)
- BSS: Hệ thống trạm gốc
- BTS: Trạm thu phát gốc
- BSC: Hệ thống điều khiển trạm gốc
- MS: Trạm di động
- OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng
- ISDN: Mạng liên kết đa dịch vụ
- PSPDN: Mạng chuyển mạch công cộng theo gói
- PSSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
- PLMN: Mạng di động công cộng mặt đất
Cấu trúc mạng di động số GSM theo khuyến nghị của GSM thì mạngGSM được chia thành hệ thống chuyển mạch (SS) và hệ thống trạm gốcBSS Mỗi một hệ thống chứa một số khối chức năng và các khối này đượcthực hiện ở các phần cứng khác nhau
1.3 Các thành phần chức năng trong hệ thống:
Mạng thông tin di động công cộng mặt đất PLMN (Public LandMobile Network) theo chuẩn GSM được chia thành 4 phân hệ chính sau:
- Trạm di động MS (Mobile Station)
- Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)
- Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem)
- Phân hệ khai thác và hỗ trợ (Operation and Support Subsystem)
1.3.1 Hệ thống trạm gốc BSS (Base Station Subsystem):
Hệ thống BSS được chia thành hai khối chức năng chính: Trạm thuphát gốc BTS (Base Transceiver Station) và bộ điều khiển trạm gốc BSC(Base Station Controller), ngoài ra còn có khối thích ứng tốc độ chuyển đổi
mã TRAU (Transcoder Rate Adaptor Unit)
Trang 26Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem), giao diện trực tiếpvới các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông qua giao diện vô tuyến.Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch
SS Nói chung, BSS thực hiện giao diện với tổng đài và nhờ vậy đấu nốinhững người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễnthông khác BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối vớiphân hệ vận hành và bảo dưỡng OSS Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm:
a TRAU (Transcoding and Rate Adapter Unit):
Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ Có nhiệm vụ chuyển đổi tínhiệu thoại thành luồng tốc độ số 64kbit/s để truyền từ BSC đến MSC.TRAU tiếp nhận các khung số liệu 16kbit/s từ giao diện Abis giữa BSC đếnMSC, và nó định dạng lại thông tin của mỗi luồng số liệu thành dạng A-TRAU để truyền đi trên giao diện A giữa BSC và MSC TRAU thườngđược đặt cùng vị trí với BSC
b BSC (Base Station Controler):
Trạm thu phát gốc BSC có nhiệm vụ quản lý giao diện vô tuyến giữaBTS với MS thông qua các lệnh điều khiển từ xa Đó là các lệnh ấn định,giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao Vai trò của BSC là quản
lý kênh và quản lý chuyển giao BSC ấn định kênh vô tuyến trong toàn bộthời gian thiết lập cuộc gọi và giải phóng kênh khi kết thúc cuộc gọi BSCthực hiện các quá trình chuyển giao (Handover) giữa các BTS Một BSC cóthể quản lý hàng chục BTS
Các chức năng chính của BSC:
1 Quản lý mạng vô tuyến:
Việc quản lý mạng vô tuyến chính là quản lý các Cell và các kênhlogic của chúng Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo đạc và xử
Trang 27lý, ví dụ như lưu lượng thông tin ở một Cell, môi trường vô tuyến, số lượngcuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại…
2 Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS:
Trước khi đưa vào khai thác thì BSC lập cấu hình của BTS (số máythu / phát TRX, tần số cho mỗi trạm…) Nhờ đó mà BSC có sẵn một tậpcác kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi
3 Điều khiển nối thông tin các cuộc gọi:
BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các đấu nối tới máy diđộng MS Trong quá trình gọi, sự đấu nối được BSC giám sát Cường độtín hiệu, chất lượng các cuộc đấu nối được ở máy di động và TRX gửi đếnBSC Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS vàTRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối BSC còn điều khiểnquá trình chuyển giao nhờ các kết quả đo kể trên để quyết định chuyển giao
MS sang Cell khác, nhằm đạt được chất lượng cuộc gọi tốt hơn Trongtrường hợp chuyển giao sang Cell của một BSC khác thì nó phải nhờ sự trợgiúp của MSC Ngoài ra, BSC còn có thể điều khiển chuyển giao giữa cáckênh trong một Cell hoặc từ Cell này sang kênh của Cell khác khi Cell này
bị nghẽn hoặc nhiễu
4 Quản lý mạng truyền dẫn:
BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC vàBTS để đảm bảo chất lượng thông tin Trong trường hợp có sự cố mộttuyến nào đó thì nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự phòng
c BTS (Base Transceiver Station):
Trang 28Thực hiện chức năng vô tuyến trực tiếp đến các thuê bao di động MSthông qua giao diện vô tuyến Um BTS gồm các thiết bị thu, phát, anten vàcác khối xử lý tín hiệu BTS được coi là một modem vô tuyến phức tạp cóthêm một số chức năng khác.
Chức năng chính của BTS là:
- Quản lý lớp vật lý truyền dẫn vô tuyến
- Quản lý giao thức liên kết số liệu giữa MS với BSC
- Vận hành và bảo dưỡng trạm BTS
- Cung cấp các thiết bị truyền dẫn và ghép kênh nối trên giao tiếp bis
A-2.3.2 Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem ):
Phân hệ chuyển mạch (SS) bao gồm các chức năng chính của mạngGSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý
di động của thuê bao
Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụngmạng GSM với nhau và với mạng khác
Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:
- Trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động MSC
- Thanh ghi định vị thường trú HLR
- Thanh ghi định vị tạm trú VLR
- Trung tâm nhận thực AuC
- Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR
a Trung tâm chuyển mạch di động MSC:
Ở phân hệ chuyển mạch SS, chức năng chuyển mạch chính được MSCthực hiện Tổng đài di động MSC (Mobile service Switching Center)thường là một tổng đài di động lớn điều khiển và quản lý một số các bộđiều khiển trạm gốc BSC MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch
Trang 29chính, vì vậy nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đếnnhững thuê bao của GSM, ngoài ra MSC giao tiếp với phân hệ BSS và giaotiếp với mạng ngoài qua tổng đài cổng GMSC (Gate MSC) Việc giao tiếpvới mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho người sử dụng mạng GSM đòihỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác IWF: Interworking Function).
SS cũng cần giao tiếp với các mạng ngoài để sử dụng khả năng truyền tảicủa các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báohiệu giữa các phần tử của mạng GSM Để kết nối MSC với một số cácmạng khác, cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM với cácmạng này Các thích ứng đó được gọi là chức năng tương tác IWF(Interworking Function) Bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức vàtruyền dẫn Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN (Packet SwitchedPublic Data Network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói), hayCSPDN (Circuit Switched Public Data Network: mạng số liệu công cộngchuyển mạch kênh) Nó cũng tồn tại khi các mạng khác chỉ đơn thuần làPSTN hay ISDN IWF có thể được thực hiện trong cùng chức năng MSChay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai thì giao tiếp giữa MSC và IWFđược để mở Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSN, trước hếtcuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng GMSC mà không cầnbiết đến hiện thời thuê bao đang ở đâu Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấythông tin về vị trí của thuê bao rồi định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đangquản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú) Nhưng trước hết cáctổng đài phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cầnthiết và hỏi HLR này Tổng đài có một giao diện với các mạng bên ngoàivới mạng GSM Về mặt kinh tế, không phải bao giờ tổng đài cũng đứngriêng mà thường được kết hợp với MSC
Chức năng chính của tổng đài MSC:
- Xử lý cuộc gọi( Call Processing)
- Điều khiển chuyển giao(Handover Control)
Trang 30- Quản lý di động ( Mobility Management)
- Tương tác mạng IWF ( Interworking Function): qua GMSC
Hình 2.4 Chức năng xử lý cuộc gọi của MSC
- (1): Khi thuê bao chủ gọi quay số thuê bao di động bị gọi, số mạngdịch vụ số liên kết của thuê bao di động, sẽ có hai trường hợp xảy ra:
- (1.a): Nếu cuộc gọi khởi đầu từ mạng cố định PSTN thì tổng đài saukhi phân tích số thoại sẽ biết đây là cuộc gọi cho một thuê bao di động.Cuộc gọi sẽ được định tuyến tới tới tổng đài cổng GMSC gần nhất
- (1.b): Nếu cuộc gọi khởi đầu từ trạm di động, MSC phụ trách ô màtrạm di động trực thuộc sẽ nhận được bản tin thiết lập cuộc gọi từ MSthông qua BTS có chứa số thoại của thuê bao di động bị gọi
- (2): MSC (hay GMSC) sẽ phân tích số MSISDN (The Mobile StationISDN) của thuê bao bị gọi để tìm ra HLR nơi MS đăng ký
- (3): MSC (hay GMSC) sẽ rời khỏi HLR thông tin để có thể định tuyếnđến MSC/VLR quản lý MS
- (4): HLR sẽ trả lời, khi đó MSC (hay GMSC) này có thể định tuyến lạicuộc gọi đến MSC cần thiết Khi cuộc gọi đến MSC này, VLR sẽ biết chitiết hơn về vị trí của MS Vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM,
đó là chức năng xử lý cuộc gọi của MSC
Trang 31Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặcđiểm truyền dẫn của mạng GSM với các mạng này Các thích ứng đó đượcgọi là chức năng tương tác IWF (Internet Working Function) IWF baogồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn IWF có thể thựchiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợpgiao tiếp giữa MSC và IWF được để mở.
b Bộ ghi định vị thường trú (HLR- Home Location Register):
Ngoài SS, MSC bao gồm các cơ sở dữ liệu, các thông tin liên quanđến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu trữ ở HLR và khôngphụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao, đồng thời chứa các thông tin về
vị trí hiện thời của thuê bao Chính vì vậy HLR được coi là cơ sở dữ liệuquan trọng nhất của GSM Thường HLR là một máy tính đứng riêngkhông có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trămngàn thuê bao Các thông tin lưu trữ trong HLR bao gồm:
c Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register):
VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong GSM, chứa thông tin về tất cả các
MS hiện đang ở vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu trữ sốliệu về vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR Mỗi
Trang 32MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC Vì vậy các chứcnăng của VLR thường được liên kết với các chức năng của MSC Ngay cảkhi MS lưu động vào một vùng MSC mới VLR liên kết với MSC sẽ yêucầu số liệu về MS từ HLR Đồng thời HLR sẽ được thông báo rằng MSđang ở vùng MSC nào Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi thìVLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà khôngcần hỏi HLR Có thể coi VLR như một HLR phân bố VLR chứa thông tinchính xác hơn về vị trí MS ở vùng MSC Nhưng khi thuê bao tắt máy hayrời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới nó cũng hết giátrị.
Nói cách khác, VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu trữ tạm thời thôngtin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ sở dữliệu HLR VLR bao gồm:
- Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI
- 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)
d Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Indentity Register):
Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạngthiết bị EIR EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến phần thiết bị diđộng ME của trạm di động MS EIR được nối với các trạm MSC thông quađường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhậndạng di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Indentity) củathuê bao gửi tới khi thiết lập thông tin với số IMEI lưu trữ trong EIR phòngtrường hợp đây là những thiết bị đầu cuối bị đánh cắp, nếu so sánh khôngđúng thì thiết bị không thể truy nhập vào mạng được Hơn nữa EIR cònchứa các số liệu về phần cứng của thiết bị Một ME sẽ có số IMEI thuộcmột trong ba danh sách sau:
Trang 331 Nếu ME thuộc danh sách trắng (White list) thì nó vẫn được quyềntruy nhập và sử dụng dịch vụ đã đăng ký.
2 Nếu ME thuộc danh sách xám (Gray List), tức là có nghi vấn vàcần kiểm tra Danh sách xám bao gồm những ME có lỗi (lỗi phần mềm haylỗi sản xuất thiết bị) nhưng không nghiêm trọng tới mức loại trừ khỏi hệthống
3 Nếu ME thuộc danh sách đen (Black List) có nghĩa là bị cấm khôngcho truy nhập vào hệ thống, những ME đã thông báo mất máy
e Khối trung tâm nhận thực AuC (Aunthentication Center):
AuC được kết nối đến HLR, chức năng của AuC là cung cấp choHLR các tần số nhận thực và các khóa mật mã để sử dụng cho bảo mật.Đồng thời các AuC quản lý các thông tin nhận thực và mật mã liên quanđến từng cá nhân thuê bao dựa trên một khóa nhận dạng bí mật Ki để đảmbảo an toàn số liệu cho các thuê bao được phép Khóa này cũng được lưugiữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ ở MS Bộ nhớ này có dạng Simcard cóthể rút ra và cắm lại được AuC có thể được đặt trong MSC hoặc HLR hoặcđộc lập với cả hai
Khi đăng ký thuê bao, khóa nhận thực Ki được ghi nhớ vào Simcardcủa thuê bao cùng với IMSI của nó Đồng thời khóa nhận thực Ki cũngđược lưu giữ ở trung tâm nhận thực AuC để tạo ra bộ ba thông số cần thiếtcho quá trình nhận thực và mật mã hóa:
- Số ngẫu nhiên RAND
- Mật khẩu SRES được tạo ra từ khóa Ki và số ngẫu nhiên RAND bằngthuật toán A3
- Khóa mật mã Kc được tạo ra từ Ki và số ngẫu nhiên bằng thuật toán A8
Đường vô tuyến cũng được AuC cung cấp mã bảo mật để chống nghetrộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao Cơ sở dữ liệu của
Trang 34AuC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác khi thuê bao đăng ký nhậpmạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ,tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép
2.4 Trạm di động (MS – Mobile Station):
Trạm di động là thiết bị duy nhất người sử dụng có thể thường xuyênnhìn thấy của hệ thống MS có thể là: máy cầm tay, máy xách tay hay máyđặt trên ô tô Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý chogiao diện vô tuyến, MS còn phải cung cấp các giao diện với người sử dụngnhư: micro, loa, màn hình hiển thị, bàn phím để quản lý cuội gọi) hoặc giaodiện với một số các thiết bị khác (như giao diện với máy tính cá nhân,FAX…) Hiện nay người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuốigọn nhẹ để đấu nối với trạm di động
Trạm di động (MS) bao gồm thiết bị trạm di động ME (MobileEquipment) và một khối nhỏ gọi là môđun nhận dạng thuê bao (SIM -Subscriber Identity Module) Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn làmột IC Card hoặc còn gọi là card thông minh SIM cùng với thiết bị trạm(ME- Mobile Eqiupment) hợp thành trạm di động MS SIM cung cấp khảnăng di động cá nhân, vì thế người sử dụng có thể lắp SIM vào bất cứ máy
di động GSM nào truy nhập vào dịch vụ đã đăng ký Mỗi điện thoại diđộng được phân biệt bởi một số nhận dạng điện thoại di động IMEI(International Mobile Equipment Identity) Card SIM chứa một số nhậndạng thuê bao di động IMSI (International Mobile Subcriber Identity) để hệthống nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác.IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân.Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhậndạng cá nhân (PIN)
Trạm di động ở GSM thực hiện ba chức năng:
