Thập kỷ 1980 chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự, thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng PLMR Public Land Mobile Radio.. Chúng cho p
Trang 1CHƯƠNG 3: BÁO HIỆU TRONG MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG Tóm tắt: Nội dung của chương tập trung vào các mô hình báo hiệu trong mạng
thông tin di động bao gồm các mạng di động thế hệ hai và thế hệ ba Các thủ tục báo hiệu được phân chia thành các vùng mạng truy nhập vô tuyến và vùng mạng lõi cùng với các kết nối báo hiệu tới các hạ tầng mạng khác
3.1 BÁO HIỆU TRONG MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO
3.1.1 Các thế hệ phát triển mạng di động tế bào
Từ cuối những năm 1970, với sự ra đời của các công nghệ, các mạng vô tuyến di động tế bào đã được phát triển rất nhanh chóng Thập kỷ 1980 chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự, thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng PLMR (Public Land Mobile Radio) Các hệ thống loại này được gọi là hệ thống vô tuyến di động tế bào thế hệ thứ nhất 1G (1st Generation), tiêu biểu là Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến AMPS (Advanced Mobile Phone Service) của Mỹ công tác trên dải tần 800 MHz và Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT 450 (Nordic Mobile Telephony) công tác trên dải tần 450 MHz, rồi sau đó trên cả dải 900 MHz (NMT 900) Làm việc ở dải UHF, các mạng này cho thấy một sự thay đổi vượt bậc về độ phức tạp của các hệ thống thông tin liên lạc dân sự Chúng cho phép những người sử dụng có được các cuộc đàm thoại trong khi di động với nhau hay với bất kỳ đối tượng nào có nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN hoặc các mạng thông tin số đa dịch vụ tích hợp ISDN
Trong những năm 1990 đã có những bước tiến hơn nữa với việc áp dụng các hệ thống thông tin di động tế bào số (digital cellular system) Các hệ thống mới này được gọi là các hệ thống vô tuyến di động thế hệ thứ hai 2G (2nd Generation), tiêu biểu là Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile communications) của Châu Âu công tác trên dải tần 900 MHz và 1800 MHz, các hệ
PTIT
Trang 2thống của Mỹ IS-136 làm việc trên hai dải 800 MHz và 1900 MHz hay IS-95 công tác trên dải 800 MHz và các hệ thống viễn thông không dây số (digital cordless telecommunication system) như Hệ thống viễn thông không dây số của Châu Âu DECT (Digital European Cordless Telecommunications) Trong số các hệ thống 2G
kể trên, hệ thống GSM được xem là hệ thống thành công nhất Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền thống, các hệ thống vô tuyến di động số thế hệ thứ hai cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác như thư thoại (voice-mail), truyền số liệu tốc độ thấp, truyền fax, các tin ngắn (short message)
Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chủ yếu vẫn nhắm vào phục vụ dịch vụ thoại Dịch vụ số liệu mà chúng đáp ứng được chủ yếu là dịch vụ truyền số liệu chuyển mạch kênh tốc độ thấp (dưới 10 kb/s), không đáp ứng được các nhu cầu truyền số liệu ngày càng tăng Chính sự phát triển nhanh chóng về nhu cầu đối với các dịch vụ dữ liệu, nhất là đối với Internet, đã thúc đẩy mạnh mẽ công nghiệp vô tuyến và là động lực chính đối với sự phát triển các hệ thống thông tin di động thế
hệ thứ ba 3G (3rd Generation) đa dịch vụ Các nỗ lực phát triển thông tin di động 3G được phát động trước tiên tại Châu Âu Vào năm 1988, dự án RACE 1043 đã được hình thành với mục đích ấn định công nghệ và dịch vụ cho hệ thống 3G gọi là
Hệ thống viễn thông di động vạn năng (UMTS: Universal Mobile Telecommunications System) Song song với dự án RACE 1043, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) cũng thành lập ban TG8/1, ban đầu đặt dưới sự bảo trợ của CCIR (Uỷ ban tư vấn quốc tế về vô tuyến), nhằm phối hợp hoạt động nghiên cứu phát triển hệ thống 3G với tên gọi Hệ thống viễn thông di động mặt đất công cộng tương lai (FPLMTS: Future Public Land Mobile Telecommunications System), mục đích ban đầu là xây dựng một tiêu chuẩn 3G chung cho toàn thế giới Sau này TG8/1 đã bỏ tên gọi FPLMTS, thay bằng Viễn thông di động quốc tế cho năm 2000 (IMT-2000: International Mobile Telecommunications-2000) và chấp nhận một họ các tiêu chuẩn cho 3G Dự án IMT-2000 đã xây dựng các yêu cầu chung nhất cho các hệ thống thông tin di động
PTIT
Trang 33G nhằm phục vụ nhiều loại hình dịch vụ, với tốc độ tối đa lên tới 2 Mb/s Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ thống thông tin di động 3G, một cách vắn tắt, bao gồm: + Có khả năng truyền thông đa phương tiện với các tốc độ: a) 384 kb/s (đi bộ) và
144 kb/s (trên xe) đối với môi trường ngoài trời (out-door) có vùng phủ sóng tương đối rộng; b) tới 2 Mb/s đối với môi trường trong nhà (in-door) có vùng phủ sóng hẹp;
+ Có khả năng cung cấp đa dịch vụ như thoại, hội nghị truyền hình (video conferencing), dữ liệu gói Hỗ trợ cả các dịch vụ chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói và truyền dữ liệu không đối xứng (tốc độ bít cao trên đường xuống và tốc
độ bít thấp trên đường lên);
+ Có khả năng lưu động và chuyển vùng quốc gia lẫn quốc tế;
+ Có khả năng tương thích, cùng tồn tại và liên kết với vệ tinh viễn thông;
+ Cơ cấu tính cước theo dung lượng truyền chứ không theo thời gian kết nối;
Đã có tới mười sáu đề xuất tiêu chuẩn cho các hệ thống 3G, trong đó mười cho các mạng 3G mặt đất và sáu cho các hệ thống di động vệ tinh MSS (Mobile Satellite Systems) Đa số các đề xuất đều ủng hộ chọn CDMA (Code Division Multiple Access-Đa truy nhập theo mã) làm phương thức đa truy nhập và ITU chấp thuận các tiêu chuẩn trong IMT-2000 sẽ bao gồm năm công nghệ sau:
+ IMT DS (Direct Sequence): Công nghệ này được gọi rộng rãi là UTRA FDD
và W-CDMA, trong đó UTRA là Truy nhập vô tuyến mặt đất cho UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access), FDD là song công phân chia theo tần số (Frequency Division Duplex), còn W trong W-CDMA là băng rộng (Wideband);
+ IMT MC (MultiCarrier): Hệ thống này (còn được gọi là cdma2000) là phiên bản 3G của IS-95 (nay được gọi là cdmaOne), sử dụng đa sóng mang;
+ IMT TC (Time Code): Đây là UTRA TDD, tức là kiểu UTRA sử dụng song công phân chia theo thời gian (Time Division Duplex);
PTIT
Trang 4+ IMT SC (Single Carrier): IMT đơn sóng mang, nguyên thuỷ là một dạng của GSM pha 2+ gọi là EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution);
+ IMT FT (Frequency Time): IMT tần số-thời gian, là hệ thống viễn thông không dây tăng cường DECT (Digitally Enhanced Cordless Telecommunications)
Hiện nay, ITU thực hiện việc phân loại các mạng di động quốc tế thành 3 loại hệ thống gồm: các hệ thống IMT-2000 là các hệ thống 3G (UMTS, CDMA2000); hệ thống enhanced IMT-2000 (thế hệ sau 3G) và IMT-Advance là hệ thống 4G Để tiến tới 4G, LTE được coi là con đường chính hiện nay cho sự phát triển công nghệ
và được phát triển bởi 3GPP
Hình 3.1: Lộ trình phát triển các thế hệ mạng di động
3GPP-LTE là công nghệ hướng tới hệ thống di động tốc độ cao và tích hợp với các chuẩn ứng dụng dịch vụ khác Do đó, người dùng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS trên nền WCDMA 3GPP-LTE hỗ trợ cơ chế cấp phát phổ tần linh động và các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao khi thiết bị di chuyển
PTIT
Trang 53.1.2 Kiến trúc báo hiệu cho hệ thống GSM
Kiến trúc hệ thống GSM được chia làm 3 phần: phân hệ trạm gốc BSS, phân hệ chuyển mạch và mạng NSS, phân hệ vận hành và bảo dưỡng OSS Mỗi phân hệ có các nhiệm vụ riêng và được cấu trúc bởi các thực thể chức năng BSS gồm có bộ thu phát gốc BTS và bộ điều khiển trạm gốc BSC BSS cung cấp và quản trị tuyến thông tin giữa thuê bao di động MS và NSS NSS là bộ não của toàn bộ mạng GSM,
nó bao gồm trung tâm chuyển mạch cho di động MSC và 4 nút mạng thông minh là đăng ký thuê bao nhà HLR, đăng ký thuê bao khách VLR, đăng ký nhận dạng thiết
bị EIR và trung tâm nhận thực AuC OSS cung cấp phương tiện để các nhà cung cấp dịch vụ có thể điều khiển và quản trị mạng Nó gồm các trung tâm vận hành và bảo dưỡng OMC làm nhiệm vụ khai thác, quản lý, bảo dưỡng
Hình 3.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống GSM
Nguyên thủy thì phân hệ OSS thuộc quyền sở hữu của mạng và không liên quan đến báo hiệu Còn đứng về mặt thuật ngữ của lớp vật lý thì môi trường không khí trên giao diện MS-BTS để truyền dẫn sóng vô tuyến và dùng LAP-D là giao thức lớp 2 MSC không kết nối trực tiếp với BTS mà thông qua BSC, được coi như là giao diện giữa phần vô tuyến và phần chuyển mạch Kết nối giữa BTS và BSC
PTIT
Trang 6thông qua giao diện A–bis Giao diện A-bis là đường liên kết số 64 kbps, sử dụng 3 giao thức để truyền tải thông tin báo hiệu đến MSC:
o Thủ tục truy nhập đường trên kênh D (LAPD)
o Quản trị trạm thu phát gốc (BTSM)
o Bảo dưỡng và vận hành A-bis (ABOM)
o Phần ứng dụng truyền tải trực tiếp (DTAP)
Giao thức LAPD được dùng như giao thức lớp 2, cung cấp khả năng trao đổi thông tin cần thiết từ nút - nút để gửi các gói tin qua mạng Giao thức BTSM dùng
để quản lý các thiết bị vô tuyến của trạm gốc và giao diện giữa trạm gốc với MSC
Dữ liệu và các thông tin báo hiệu khác được gửi từ trạm gốc thông qua một giao thức của SS7 - phần DTAP
Hình 3.3: Phân lớp chức năng của SS7 trong mạng GSM
Các giao thức SS7 được sử dụng trong mạng di động để cung cấp thông tin báo hiệu cho việc thiết lập và giải phóng các kết nối cũng như chia sẻ những thông tin trong cơ sở dữ liệu cho các thực thể của mạng Ngăn xếp của SS7 sử dụng cho mạng di động được thể hiện trên hình 3.3
MSC kết nối với mạng cố định thông qua giao thức ISUP hoặc TUP Cùng với MTP và SCCP, còn có thêm một số các giao thức khác để MSC giao tiếp với các thực thể khác trong hệ thống GSM Đó là các giao thức:
o Phần ứng dụng di động MAP
PTIT
Trang 7o Phần ứng dụng di động phân hệ trạm gốc BSSMAP
o Phần ứng dụng truyền tải trực tiếp DTAP
o Phần ứng dụng khả năng phiên dịch TCAP
Trên giao diện A giữa phân hệ BSS và MSC sử dụng phần ứng dụng hệ thống trạm gốc BSSAP BSSAP có thể được chia thành phần ứng dụng quản trị hệ thống trạm gốc BSSMAP và phần ứng dụng truyền tải trực tiếp DTAP
BSSAP được sử dụng để trao đổi các bản tin giữa BSC và MSC mà BSC thực sự phải xử lý ví dụ như bản tin quản trị tài nguyên vô tuyến RR Còn DTAP bao gồm những bản tin mà phân hệ NSS và máy di động MS trao đổi với nhau Những bản tin này (ví dụ bản tin quản trị kết nối CM, bản tin quản trị di động MM) là trong suốt đối với BSC BSC chỉ làm chức năng chuyển tiếp bản tin mà không xử lý nó Phần ứng dụng di động MAP là giao thức của SS7 hỗ trợ cho mạng di động Nó định nghĩa những hoạt động giữa các thành phần mạng như MSC, HLR, VLR, EIR
và mạng cố định Các lớp truyền tải, phiên và trình diễn không sử dụng trong SS7, các chức năng này được nhóm trong lớp ứng dụng sử dụng ISUP và TUP Các giao thức MAP được thiết kế là MAP/B và MAP/H tuỳ thuộc vào chức năng của giao tiếp Các giao diện và giao thức của GSM được trình bày trong bảng 3.1 và hình dưới đây
Bảng 3.1: Các giao diện và giao thức cơ bản của hệ thống GSM
Um MS-BSS Giao tiếp môi trường được sử dụng để trao đổi
thông tin giữa MS-BSS LAPDm là thủ tục sửa đổi từ LAPD d cho báo hiệu
Abis BSC-BTS Giao diện nội bộ của BSS sử dụng liên kết giữa
BSC và BTS Abis cho phép điều khiển thiết bị vô tuyến và chỉ định tần số trong BTS
A BSS-MSC Quản lý nguồn tài nguyên và tính di động của MS
B MSC-VRL Xử lý báo hiệu giữa MSC và VRL Giao tiếp B sử
PTIT
Trang 8dụng giao thức MAP/B
GMSC-HRL
SMSG-HRL
Sử dụng để điều khiển các cuộc gọi từ trong vùng GSM ra ngoài và ngược lại Giao thức MAP/C sử dụng cho thông tin định tuyến và tính cước qua các gateway
D HRL-VRL Giao thức MAP/D sử dụng để trao đổi dữ liệu liên
quan tới vị trí của MS và các số liệu phụ của thuê bao
E MSC-MSC Giao thức MAP/E sử dụng để trao đổi thông tin
chuyển vùng giữa các MSC
F MSC-EIR Giao thức MAP/F sử dụng để xác nhận trạng thái
IMEI của MS
G VRL-VRL Giao thức MAP/G sử dụng để chuyển các thông
tin thuê bao trong các thủ tục cập nhật vị trí vùng
MSC-SMSG
Giao thức MAP/H hỗ trợ truyền bản tin nhắn tin ngắn SMS
I MSC-MS Giao diện I là giao diện giữa MSC và MS Các bản
tin trao đổi qua giao diện I qua BSS là trong suốt
Hình 3.4: Vị trí các giao diện trong hệ thống GSM
PTIT
Trang 9Các hoạt động điều hành của MAP có thể chia thành 5 phần chính như sau: quản
lý di động; vận hành và bảo dưỡng; xử lý cuộc gọi; hỗ trợ dịch vụ bổ sung; dịch vụ bản tin ngắn SMS
Quản lý di động
Các tác vụ quản lý di động gồm một số các nội dung sau: Quản lý vị trí, tìm kiếm
vị trí của MS, quản lý truy nhập, chuyển giao vùng, quản lý nhận thực, quản lý bảo mật, quản lý IMEI, quản lý thuê bao, nhận dạng thuê bao và khôi phục lỗi
Để hạn chế các thông tin trao đổi giữa HRL, các HRL chỉ chứa các thông tin về MSC/VRL quản lý thuê bao hiện thời Việc quản lý vị trí gồm một số tác vụ như: Cập nhật vùng, loại bỏ vùng, gửi nhận dạng, xác định MS
Chuyển vùng giữa các MSC được thực hiện bởi một chuỗi các thủ tục báo hiệu gồm: Chuẩn bị chuyển vùng, gửi tín hiệu tới kết cuối, xử lý báo hiệu truy nhập, chuyển báo hiệu truy nhập và chuyển vùng Các thủ tục cơ bản được thể hiện qua ví
dụ trên hình 3.5 dưới đây Các thủ tục được thực hiện qua giao thức MAP/E, cập nhật vị trí mới của MS được thực hiện qua MAP/D không thể hiện trong hình vẽ
PTIT
Trang 10Vận hành và bảo dưỡng
Vận hành và bảo dưỡng được chia thành hai vùng chính: Giám sát thuê bao và nhiệm vụ hỗn hợp Giám sát thuê bao gồm hai trạng thái kích hoạt và không kích hoạt, trạng thái kích hoạt giám sát thuê bao được khởi tạo từ HRL yêu cầu VRL kiểm tra trạng thái của thuê bao và gửi về MSC để giám sát MS Nhiệm vụ hỗn hợp
sử dụng trong mạng GSM hiện nay chỉ thực hiện nhiệm vụ trao đổi thông tin về thuê bao giữa HRL và VRL
Xử lý cuộc gọi
Các thủ tục xử lý cuộc gọi chủ yếu dựa trên các thông tin định tuyến, khi các thuê bao tìm kiếm và xác nhận các địa chỉ MSC đích, các thủ tục do MAP không còn cần thiết Riêng việc xử lý cuộc gọi qua gateway của trung tâm chuyển mạch di động GMSC thì vẫn phải sử dụng các giao thức MAP/C
Hình 3.6: Các điều hành của MAP trong trường hợp cuộc gọi từ mạng PSTN
Trong trường hợp một thuê bao từ mạng cố định PSTN gọi sang mạng di động, các bản tin khởi tạo ISUP IAM được gửi tới gateway chứa thông tin số bị gọi Dựa trên các con số này, mạng PSTN định tuyến cuộc gọi tới GMSC thích hợp GMSC chứa nhận dạng thuê bao di động trong cơ sở dữ liệu sẽ sử dụng điều hành MAP tới HRL để tim kiếm MS Nếu thuê bao đang trong trạng thái chuyển vùng, các thông tin trao đổi giữa HRL và VRL được thực thi để đảm bảo quá trình định tuyến thành
PTIT
