nghiên cứu hệ thống di động GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Global System for Mobile Communication ra đời với việc sử dụng tần số tốt và kỹ thuật ô nhỏ đã đáp ứng được nhu cầu quốc tế hóa và đảm bảo dung lư

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây sự bùng nổ thông tin đã và đang đánh dấu một bước ngoặt vĩ đại trong sự phát triển chung của xã hội Trong sự phát triển chung đó hệ thống thông tin di động cũng chiếm một phần không nhỏ Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile Communication) ra đời với việc sử dụng tần số tốt và kỹ thuật ô nhỏ đã đáp ứng được nhu cầu quốc tế hóa và đảm bảo dung lượng thuê bao được phục vụ

ở Việt Nam cũng như một số nước có công nghệ thông tin đang phát triển.Việc nghiên cứu hệ thống di động GSM để làm tiền đề tìm hiểu các mạng thông tin thế hệ mới thực sự cần thiết vì GSM mang những đặc điểm cơ bản nhất của mạng thông tin di động, hơn thế nó đang được sử dụng phổ biến trên phạm vi toàn thế giới

Trong khuôn khổ đề tài này, tôi xin trình bày những vấn đề sau:

1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động

2 Hệ thống mạng thông tin di động GSM

3 Các giao diện trong hệ thống GSM

Trong quá trình thiết kế đồ án này, do thời gian, tài liệu cũng như việc tiếp cận thực tế còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em mong được sự cảm thông, đóng góp ý kiến của các thầy

cô giáo để bản đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông, đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Nam Quân đã tận tình hướng dẫn hoàn thành bản đồ án này

Hà Nội ngày tháng 3 năm 2006

Sinh viên thực hiện:

Hoµng ThÞ Lùu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Các khái niệm cơ bản

Hệ thống thông tin di động vô tuyến (Mobile radio Comunication) có nhiệm vụ kết nối đến hoặc từ các thuê bao di động ( gọi tắt là MS- Mobile subscriber) mà các dây thuê bao này có thể di chuyển trong nhiều vùng địa lí khác nhau, nơi được gọi là vùng địa lí di động (Mobile Servise Location) Việc trao đổi thông tin giữa thiết bị di động (gọi tắt là ME- Mobile equipment) và mạng di động (Mobile Radio Network) thông qua giao diện vô tuyến số (Digital Radio Interface)

Toàn bộ vùng phục vụ của hệ thống thông tin di động được chia thành

nhiều vùng phục vụ nhỏ, gọi là các tế bào vô tuyến (Radio cell) Chính vì vậy

mạng thông tin di động còn được gọi là mạng thông tin di động tế bào số (Digitar cellular Mobile Radio Network)

Mỗi tế bào có một trạm gốc phụ trách (Base station) và được điều khiển bởi hệ thống tổng đài di động sao cho thuê bao có thể vẫn duy trì được cuộc gọi một cách liên tục khi di chuyển giữa các tế bào Đây chính là một trong những điểm khác biệt chính của mạng thông tin di động với mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN-Public Switched Telephone Network) – nơi

mà các thuê bao đã được định vị cố định bởi đôi day thuê bao (Telephone Surscriber Line) đưa đến từ tổng đài

cài vào thiết bị di động ME Thẻ SIM này có bộ nhớ để lưu một số thông tin

cố định và tạm thời rát cần để điều khiển được quá trrình kết nối và duy trì các cuộc gọi Như vậy một thuê bao di động MS phải là sự kết hợp giữa một thiết

bị di động ME với một thẻ SIM

Hệ thống tổng đài di động có thể kết nối đến mạng điện thoại PSTN và những mạng dịch vụ khác nên các thuê bao di động MS hoàn toàn có thể kết nối đến các thuê bao điện thoại cố định cũng như các thiết bị đầu cuối khác.Những khái niệm cơ bản về thông tin di động nói trên được diễn tả trong hình 1.1

Hình 1.1: Các khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin di động

1.1.2 Các ưu điểm của hệ thống thông tin di động

Đặc tính có thể di động linh hoạt của các thuê bao di động MS chính là

ưu điểm lớn nhất của hệ thống thông tin di động Hơn nữa các thiết bị di động

ME nhỏ gọn ngày càng tích hợp rất nhiều tính năng hiện đại, đang và sẽ trở thành hành trang dễ mang cho mỗi người trong thế kỷ 21 Tại mỗi nơi, với hệ thống thông tin di động chúng ta sẽ luôn được kết nối với thông tin

Hệ thống thông tin di động là hoàn toàn số, chính đặc điểm này đem lại

ưu điểm chất lượng của thông tin di động rất tốt, dễ thực hiện việc bảo mật thông tin, mở ra nhiều khả năng tích hợp nhiều dịch vụ phi thoại vào hệ thống Với chiếc máy di động hiện nay, chúng ta không những có thể đàm thoại từ mọi nơi mà còn có thể gửi fax, tin nhắn, gửi hình ảnh, đọc email hay duyệt qua các trang thông tin trên internet…Trong tương lai gần chúng ta còn có thể thấy được nhiều loại dịch vụ khác được triển khai trên hệ thống thông tin di động khi mà băng thông truyền tin của kênh thông tin di động được tăng lên đáng kể (ví dụ như truy cập mạng VPN, thanh toán ngân hàng, truyền hình theo yêu cầu…)

Đối với nhà cung cấp, khai thác mạng thì kiến trúc mạng thông tin di động có ưu điểm dễ triển khai và mở rộng rất linh hoạt Điều này tạo ra sự hiệu quả về đầu tư, doanh thu cao v.v…

1.1.3 Phân cấp dịch vụ

Mạng thông tin di động cũng như bất kỳ mạng thông tin nào khác đều

Hình 1.2 Phân cấp dịch vụ mạng thông tin di động

* Dịch vụ vận tải (Bearer Service)

Các dịch vụ thuộc nhóm này là các dịch vụ vận chuyển thông tin thuần tuý giữa các điểm truy nhập mạng (Network Accsess point) Mạng thông tin

di động lúc này đóng vai trò như một mạng truyền dẫn, bởi vậy nó yêu cầu cần định nghĩa rõ các kiểu thông tin mà nó sẽ truyền tải (hình 1.3) Thông số cần quan tâm cho các dịch vụ nhóm này là:

- Tốc độ: 9600 hay 11200 bps…

- Mode truyền: đồng bộ, dị bộ, đơn công, song công hay bán song công

- Phương thức chuyển mạch: chuyển mạch kênh, gói hay thông điệp

Dịch vụ bổ xungSupplymentary Service

Dịch vụ bổ xung Teleservice

Dịch vụ vận tảiBearer Service

Hình 1.3: Mô hình dịch vụ vận tải (Bearer Service)

* Dịch vụ viễn thông (Teleservive)

Tính chất của cá dịch vụ thuộc nhóm này không đơn thuần chỉ truyền tải thông tin mà còn yêu cầu giao thức và quy trình thiết lập kết nối giữa hai trạm đầu cuối (Terminal), cũng có nghĩa là các tính chất và đặc tính của các trạm đầu cuối cần định nghĩa rõ ràng.Với các dịch vụ nhóm này, khái niệm truy nhập người dùng (User Access) được sử dụng (hình 1.4) Một số dịch vụ nhóm này là các dịch vụ như:

-Dịch vụ thoại (Telephony)

-Dịch vụ truyền văn bản (Fax service)

-Dịch vụ truy nhập Internet

-Dich vụ truyền bản tin nhắn SMS (Short Message Service), bản tin mở

rộng EMS (Extended Message Service) và bản tin đa phương tiện MMS

Hình 1.4: Mô hình dịch vụ viễn thông

* Dịch vụ bổ xung (Telservise)

Hai nhóm dịch vụ nói trên thuộc về các dịch vụ cơ bản, các dịch vụ bổ xung này thường mở rộng khả năng kiểm soát và điều khiển của người sử dụng đối với các dịch vụ thuộc hai nhóm dịch vụ cơ bản Ví dụ với dịch vụ viễn thông cơ bản là dịch vụ thoại thì có thể xây dựng thêm các dịch vụ bổ xung như:

-Chuyển tiếp cuộc gọi

-Giữ cuộc gọi

-Hiển thị cước phí cuộc gọi

-Hạn chế cuộc gọi…

Trong tương lai, khi mạng thông tin di động thế hệ 3 được triển khai, với ưu điểm về phạm vi phục vụ rộng, tốc độ truyền tin cao, công nghệ chuyển mạch tích hợp trên nền mạng IP…Chắc chắn sẽ có nhiều dịch vụ mới

ra đời từ 3 nhóm dịch vụ trên

1.2 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG1.2.1 Mô hình chung

SS : Hệ thống chuyển mạch BTS : Đài vô tuyến gốc

BSS: Hệ thống trạm gốc MS : Máy di động

AUC :Trung tâm nhận thực OSS : Hệ thống khai thác và hỗ trợ

HLR : Bộ ghi định vị thường trú ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụVLR : Bộ ghi định vị tạm trú EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bịBSC : Đài điều khiển trạm gốc PLMN:Mạng di động mặt đất công cộngPSPDN :Mạng chuyển mạchcông cộng theo gói

thoại công cộng PSTN và hệ thống mạng dịch vụ khác Chức năng của nó là đấu nối các thuê bao di động với nhau và với các thuê bao của PSTN.Tổng đài chuyển mạch di động cần phải có các chức năng khác với hệ thống chuyển mạch của PSTN như:

* Chuyển giao (Hand-over)

Vì MS có thể chuyển từ vùng BS này sang vùng BS khác, vì thế MSC phải có cơ chế báo hiệu để chuyển cuộc gọi này sang một kênh mới ở một khu vực tế bào mới mà không làm gián đoạn cuộc gọi Điều này thường được thực hiện bằng một hệ thống phức tạp, một hệ thống nhạy cảm và điều khiển chính xác Phương pháp chung ở đây là bằng việc giám sát chất lượng tín hiệu (theo mức) của từng kênh thu được từ các trạm gốc khác, khi chất lượng tín hiệu bắt đầu giảm dưới mức quy định thì khu vực tế bào hiện tại sẽ chuyển tín hiệu báo hiệu cho MSC, tiếp đó MSC sẽ yêu cầu đo chất lượng tín hiệu của kênh đi tới trạm gốc bên cạnh để xác định xem vùng nào xử lý cuộc gọi và sau đó dựa vào kết quả này chọn ra vùng tối ưu Chuyển vùng cần tiến hành tại một thời điểm chính xác nếu không cuộc gọi di động có thể nhảy (ping pong) giữa các

tế bào

* Đăng ký vị trí (Location Registration) và cập nhật vị trí (Location Update)

Việc đăng ký vị trí là khi thuê bao di động di chuyển từ trạm nhà vùng đầu tiên đăng ký cuộc gọi) đến vùng phục vụ khác, trạm nhà sẽ giúp trạm đến phát hiện ra thuê bao di động và hệ thống ở nhà sẽ lưu giữ lại thông

(Home-tin đăng kí để đấu nối cuộc gọi Tất nhiên muốn làm được điều đó trước tiên phải có khả năng dò tìm phát hiện các MS và cập nhật vị trí hiện tại của MS

Tổng đài MSC cần phải có tất cả các tông tin, chẳng hạn như: dialed number (quay số), billing information (thông tin yết thị), và các thông tin dịch

vụ khác được lưu giữ trong hệ thống chuyển mạch để đấu nối các thuê bao di động với nhau và với các thuê bao PSTN

1.2.3 Trạm gốc BS

Trạm gốc dùng để đấu nối trạm chuyển mạch điện thoại di động với máy

di động , nó bao gồm thiết bị thu phát, ăng ten và thiết bị điều khiển Chức năng chính của nó là điều khiển và quản lý vùng đã được phân định bằng cách chuyển các tín hiệu gọi đến /gọi đi, gán kênh, giám sát kênh và tự chuẩn sai số

Trong hệ thống điện thoại di động, tần số sử dụng giữa BS và một máy

di động là không cố định ở một kênh nào đó mà kênh đàm thoại được xác định nhờ kênh báo hiệu và máy di động được đồng bộ về tần số một cách tự động Để giảm tối thiểu can nhiễu của các vùng lân cận thì các yếu tố như phân bố tần số, phân định mẫu vùng là rất quan trọng Các tế bào ở cách xa hơn một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số nào đó đang được sử dụng Hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống điện thoại di động tăng lên vì các kênh RF giữa các BS có thể định vị một cách hiệu quả nhờ việc tái sử dụng tần số và nhờ vậy dung lượng thuê bao do điều tiết sẽ tăng lên

1.2.4 Đầu cuối di động MS

Thiết bị đầu cuối di động tức là thiết bị thông tin được trang bị để di động như: thiết bị di động trên xe cộ, trên tầu bè, máy bay v.v Chúng bao

động Thẻ nhớ vi mạch chứa thông tin xác định thuộc tính thuê bao, từ khoá

để mã hoá…

1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP KÊNH

Trong mỗi cell, một BTS liên lạc với nhiều MS Qua giao diện vô tuyến,

MS thiết lập và thực hiện cuộc gọi với bất kỳ thuê bao nào khác Việc phân chia các kênh liên lạc cho mỗi MS được gọi là kỹ thuật đa truy cập Các phương thức đa truy cập là FDMA, TDMA và CDMA Dưới đây giới thiệu khái quát như sau

1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số - FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số

kế tiếp, cách nhau một dải tần phòng vệ Mỗi dải tần số được gắn cho một kênh liên lạc N dải liên tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành cho liên lạc hướng xuống

Đặc điểm: Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là rất đáng kể BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cellular

1.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA (Time Division Multiple Access)

Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thô thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là 1 khe thời gian trong chu kỳ 1 khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bít chỉ thị đầu gói , chỉ thị cuối gói, các bít đồng bộ các bít bảo vệ và các bit dữ liệu

Đặc điểm: Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau Giảm nhiễu giao thoa Giảm

số máy thu phát BTS

Hệ thống TDMA điển hình là GSM GSM từ Châu Âu đã đến nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam Đạt được thành tựu hiện nay là một quá trình hàng trục năm nghiên cứu và phát triển

1.3.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access)

Mỗi MS được gán cho một mã riêng biệt và kỹ thuật trải phổ tín hiệu giúp cho các MS không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng một lúc dùng chung dải tần số

Đặc điểm: Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống pha đinh hiệu quả hơn FDMA, TDMA, Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn là vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng trong cell rất linh hoạt

CHƯƠNG II MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2.1 MÔ HÌNH PHÂN CẤP CỦA MẠNG GSM

2.1.1 Giới thiệu mạng GSM

Ở Châu Âu, do sự phát triển nhanh chóng của mạng vô tuyến di động tế bào

số (Digital Cellular Radio Network) nên tồn tại nhiều hệ thống thông tin di

động khác nhau mà không tương thích với nhau.Vì vậy, hiển nhiên là cần phải

có phải có một tiêu chuẩn chung cho hệ thống thông tin di động.Viện tiêu

chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (eropean Telecommucation Standards

institute) thàng lâpj nhóm gọi là GMS (Groupe Spescical Mobile) với một nhiệm vụ phức tạp là xây dựng một tiêu chuẩn mạng di động chung cho Châu

Âu Đó là nguồn gốc của sự ra đời mạng GMS - một hệ thống toàn cầu cho thông tin di động (Global System for Mobile Communication thay cho Spescical Groupe Mobile) Các tiêu chuẩn được GMS xây dựng nhằm đến mục tiêu:

+ Hiệu quả sử dụng phổ tần

+ Phương thức chuyển vùng giữa các quốc gia

+Giảm giá thành ME và BS

+ Một chất lượng tiếng nói tốt hơn

+ Tương thích với nhiều hệ thống khác

+ Có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ

Từ năm 1982, khi tiêu chuẩnGSM bắt đầ được xây dựng, nó đã phát triển

và dần được triển khai hoạt động và khai thác ở các nước Bắc Âu Kết quả là một hệ thống di động tế bào đã đươc thực hiện khắp Châu Âu Sự thuận lợi

tăng lên khi tiêu chuẩn GSM đem lại là một thị trường lớn đối với các thiết bị với chất lượng cao hơn, giá thành rẻ hơn Do những thành công của GSM mà

từ năm 1992 đã được chấp nhận và được thực hiện trên khắp thế giới

Hệ thống thông tin di động số GSM tương thích với hệ thống báo hiệu số

7 và các dịch vụ ISDN (Intergrated Digital Network) GSM có đưa ra hai tiêu chuẩn chính là GSM 900 và DSC 1800 xuất phát từ hai dải tần khác nhau là

900 MHZ và 1800 MHZ được phân định cho hệ thống GSM (hình 2.1)

* GSM 900 (Global System for Mobile Communicatión in the 900

MHZ band)

Ban đầu GSM định nghĩa băng tần (890 – 960) MHZ để truyền tín hiệu máy di động đến trạm gốc (Uplink) và băng tần (935 – 960) MHZ để truyền dẫn tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động (Downlink) Sau đó GSM mở rộng

vùng ngoại ô Bán kính một tế bào lớn có thể là 35 km.

* GSM 1800 (Digital Cellular System for the 1800 MHZ band)

DSC 1800 được đưa ra sử dụng để phục vụ cho các vùng có mật độ thuê bao cao như ở các đô thị Kích thước các tế bào DSC 1800 nhỏ hơn (lớn nhất

là 8 km) nhưng với hệ thống này, các thiết bị ME có thể được thu nhỏ kích thước DSC 1800 định nghĩa băng tần lên (1710 – 1785) MHZ băng tần xuống (1803 – 1880) MHZ Ngoài ra ở Bắc Mỹ còn sử dụng chuẩn DSC 1900

Các máy di động ME được bán trên thị trường hiện nay đa số đều có khả

năng làm việc ở hai băng tần GSM /DSC (dual – band 900/1800 MHZ).

2.1.2 Mô hình phân cấp chức năng theo hệ thống mở

Mạng GSM là một hệ tống rất phức tạp, cần phải được quy hoạch và tổ chức cả ở việc triển khai thực hiện thực tế của nó Một mô hình để xây dựng mạng thông tin truyền số liệu thông thường đã được tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (Intitute for Standardzation organization) cung cấp ở dang mô hình tham chiếu liên kết các hệ thống mở OSI (Open System Interconnection Reference Mode) Các chi tiết kỹ thuật của GSM hay các khuyến nghị đã được định nghĩa đầy đủ ở 3 lớp dưới của mô hình OSI này

Mô hình tham chiếu OSI Mô hình mạng GSM

Hình 2.2: Mạng GSM tham chiếu trên mô hình OSI

* Lớp vật lý (physical)

Lớp này quy định các đặc tính vật lý của truyền dẫn vô tuyến Trong phạm vi của đường truyền vô tuyến GSM các quy định này không chỉ bao gồm các quy định về băng tần, quy hoạch tần số, điều khiển các tần số v.v

mà còn việc cấu trúc các cụm (burst) và các khung tổng thể trong một mạch truyền dẫn ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Hai chức năng chính của lớp này là mã hoá kênh và điều chế

các quy định vật lý của môi trường lớp vật lý trong mọi tình huống Lớp này cũng có chức năng kiểm soát lỗi (error cotrol) trong khung tin và cơ chế xác nhận (Acknowledgment).

* Lớp mạng (Network)

Lớp này chịu trách nhiệm về quản lý tất cả các cuộc gọi và liên kết các hoạt động của mạng vô tuyến, Các nhiệm vụ này được chia nhỏ hơn thành các lớp con để quản lý việc điều khiển các cuộc gọi đã được thiết kế, quản lý di động các thuê bao và quản lý tiềm năng vô tuyến (Radio resource management)

*Các lớp cao (Transport – Session – Presentation – Application)

Các lớp cao liên quan đến hoạt động của các dịch vụ mà mạng GSM cung cấp, chúng cũng có những tiêu chuẩn như các mạng dịch vụ khác Ngoài các chức năng của hệ thống vận hành và bảo dưỡng cũng được thực hiện ở lớp cao này

2.1.3 Phân cấp mạng GSM theo vùng phục vụ

Do tính lưu động của thuê bao trong mạng nên để công việc tìm kiếm, định tuyến các cuộc gọi, quản lý các thuê bao được thực hiện nhanh chóng, chính xác, cần phải phân chia mạng thành các vùng tích hợp để quản lý, do đó hình thành phân cấp quản lý theo vùng phục vụ (hình 2.3)

Hình 2.3: Phân cấp quản lý theo vùng phục vụ ở mạng GSM

* Tế bào (Cell)

Một tế bào là một vùng mà các thuê bao di động trong phạm vi vùng đó

sẽ liên hệ trực tiếp với một trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) Bán kính R cho biết kích thước của một tế bào được thiết kế cho hệ thống, nó luôn nhỏ hơn Rmax - là bán kính của vùng bị hạn chế bởi nhiễu, các hệ số truyền sóng và công suất phát Bán kính R được quyết định trong việc tính toán vùng phủ sóng và mẫu tế bào của hệ thống Đối với địa hình bằng phẳng,

R có thể được xem như bán kính của tế bào vạch ra hình tròn Hình lục giác đều là hình thuận tiện cho việc thiết kế mẫu đa tế bào (mutiple cells) Trong thực tế nó là một hình không đồng đều Hình dạng ô được xác định bởi các hình bao quanh tự nhiên như đồi núi, các toà nhà cao v.v mẫu ô sẽ trở nên phức tạp hơn khi số lượng ô trong hệ thống tăng lên (hình2.4)

Vùng phục vụ PLMN ( một hay nhiều nước thành viên)

Vùng phục vụ MSC (được điều khiển bởi MSC) Vùng định vị LA (Location Area)

Tế bào (cell) (Có một trạm gốc riêng)

Hình 2.4: Một vùng phủ sóng dạng lục giác đềuGSM định nghĩa một số kiểu tế bào như sau

+ Macrocell: tế bào với bán kính lớn, thường dùng ở những nơi dân cư phân bố rải rác trên diện tích rộng nhưng địa hình khá bằng phẳng

+ Microcell: tế bào bán kính nhỏ, dùng ở những nơi mật độ dân cư đông như các đô thị Loại tế bào này rất hay đươc dùng để giải quyết vấn đề tế bào tập trung cao trong một vùng hẹp Còn có một loại tế bào nhỏ hơn gọi là picrocell dùng phủ sóng các vùng tập trung đông thuê bao như trung tâm thương mại

+ Selective cell: tại một số vùng đặc biệt, ta chỉ cần phủ sóng theo một hướng nào đó (dùng ăng ten định hướng) Loại tế bào chọn hướng (Selective cell) với góc phủ sóng nhỏ hơn 360°được sử dụng cho các trường hợp như vậy + Ubrella cell: dùng phủ kết hợp chồng lên vài microcell đặt dọc đường cao tốc Khi MS di chuyển với tộc độ cao sẽ xảy ra chuyển giao (hand- over) nhiều giữa các microcell, dẫn đến dễ bị mất cuộc gọi Vì thế Umbrella cell lâu hơn, chuyển giao vùng xảy ra ít

* Vùng định vị (location area)

Một tế bào BTS

R

Vùng này là tập hợp một số các tế bào được nhóm với nhau để một tổng đài di động MSC duy nhất quản lý như một vùng với một số hiệu định vị LAI (location Area Identity) Việc cập nhật vị trí và đăng ký vị trí cũng dựa trên phân cấp vùng định vị này.

* Vùng phục vụ GSM

Gồm các vùng PLMN của các nước sử dụng chuẩn GSM

2.2 KIẾN TRÚC MẠNG GSM

2.2.1 Kiến trúc tổng quát

Kiến trúc tổng quát của GSM gồm có 3 phân hệ chính (hình2.5):

+ Phân hệ vô tuyến RSS (Radio Sub- System)

+Phân hệ chuyển mạch SSS (Switching Sub – System)

+Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS (Operation & Mailtenance Subsystem)

Hình 2.5: Các phân hệ trong cấu trúc mạng GSM tổng quátPhân hệ vô tuyến RSS sở dĩ có tên như vậy là vì nó đảm nhận nhiệm vụ kết nối vô tuyến đến các thuê bao di động.

Phân hệ chuyển mạch SSS bao gồm trung tâm chuyển mạch các dịch vụ

di động MSC, các cơ sở dữ liệu điều khiển hệ thống liên kết trong nó và các

bộ xử lí, cùng với các giao diện được yêu cầu Đây là bộ phận đảm bảo cho việc chuyển mạch kết nối giữa các tế bào di động với thuê bao mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN, cũng như các mạng dịch vụ khác

Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS sẽ cho phép các nhà khai thác theo dõi, sửa chữa và duy trì hoạt động mạng GSM từ một trung tâm quản lí cố định

2.2.2 Phân hệ vô tuyến RSS

Phân hệ vô tuyến RSS bao gồm hai hệ thống khác nhau:

+ Trạm di động MS (Mo bile Station) được cấu thành từ thiết bị di động

ME (Mobile Equipment) và khối nhận diện thuê bao SIM (Subcrribẻ Identity Module)

+Các hệ thống trạm gốc BSS (Base Station System) Trong BSS lại bao gồm các trạm thu/phát gốc BTS (Base Trancever Station) được đặt dưới sự điều khiển của một bộ điều khiển trạm gốc (Base Station Contronller) Các BSC được nối về tổng đài di động thông qua bộ chuyển đổi mã thích ứng tốc

độ TRAU (Transcodiing and Rate Unit)

Hai hệ thống trên liên lạc với nhau qua giao diện vô tuyến số (Digital Radio Interface) còn gọi là giao diện Um

tế IMEI (International Mobile Equipment Identity)

Thiết bị di động có hai kiểu chủ yếu sau:

1.Loại đặt trên xe ô tô và ăng ten được gắn bên ngoài xe

2.Loại di động cầm tay, kích thước nhỏ, ăng ten gắn ngay tại máy

Hình 2.6: Sơ đồ khối của một thiết bị di động MEMột thiết bị di động có khả năng khai thác ở một công suất ra cực đại nào đó tuỳ thuộc vào kiểu máy và việc sử dụng Các kiểu máy di động có các đặc trưng riêng mà nó phải được biết từ hệ thống, ví dụ: công suất truyền dẫn cực đại và các dịch vụ do nó cung cấp Vì vậy: Các máy di động được nhận dạng bằng cấp công suất Công suất của máy được ghi ở máy di động trong thông tin ban đầu của nó Hình 2.6 chỉ ra sơ đồ khối của ME

Cấp

Công suất ra

120w (đã loại bỏ)

2 8w

3 5w

4 2w

5 0.8w

Khối nhận diện thiết bị SIM:

Lập khuôn cụm

Mã hóa mật

Ghép

Thu / phát RF/IF

33.8Kpbs

13 bits 13 bit 13 Kbps 22.8 Kbps

Bộ vi

xử lý Nguồn

Thu

Giải điều chế

Bộ chỉnh chất lượng kênh

Giải tách ghép xen

Giải mật mã

Sửa lỗi

Khối này là một tấm Card gắn vào thiết bị di động còn gọi là thẻ thông minh “smard card” Thẻ này cho phép nhận dạng thiết bị di động và cung cấp các thông tin về các dịch vụ mà thiết bị sử dụng Thuê bao được nhận dạng bằng một số nhận dạng gọi là: chỉ số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI (Internation Mobiel Subcrriber Identity) Không có SIM, thiết bị di động chỉ có thể gọi được các cuộc gọi khẩn cấp (Emergency Call).

Bằng cách tạo sự phân biệt giữa chỉ số nhận dạng thuê bao IMSI và chỉ

số nhận dạng thiết bị di động IMSI, mạng GSM có thể định tuyến các cuộc gọi và thực hiện hoá đơn dựa trên chỉ số IMSI thay cho việc dựa vào thiết bị hay vị trí của thuê bao SIM có vai trò như một thuê bao duy nhất, có thể làm việc với các thiết bị ME khác nhau, tiện cho việc thuê, mượn các ME tuỳ ý thuê bao

Thẻ SIM chứa một số đơn vị thông tin sau:

+Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI - Chỉ số này sẽ nhận dạng thuê bao di động nó chỉ được phát lên trong kkhông gian trong thời điểm đầu cuộc gọi

+ Số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI (temporary Mobile Subscriber Identity) – Đây là chỉ số nhận dạng các thuê bao, nó được thay đổi một cách chu kỳ bởi một hệ thống quản lý để bảo vệ các thuê bao từ người được nhận dạng bằng việc kiểm tra một người nào đó đến việc giám sát giao diện vô tuyến

+ Số nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identifier) nó sẽ nhận dạng vùng định vị hiện thời của thuê bao

máy điện thoại di động, nó bao gồm mã vùng, mã quốc gia, số máy thuê bao.Phần lớn dữ liệu được chứa trong SIM sẽ được bảo vệ chống đọc Ki hay những sự sửa đổi IMSI sau khi phát hành SIM card Còn thông số LAI sẽ gắn liền với hệ thống bảo mật rất chặt chẽ đảm bảo bảo mật đối với thông tin của thuê bao và bảo vệ cho mạng chống lại sự truy nhập gian lận SIM được cập nhật liên tục để phản ánh sự định vị hiện tại của thuê bao SIM card thiết kế để khó sao chép và sử dụng mật khẩu mã số nhận dạng cá nhân PIN (Personal Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng hợp pháp, ngăn ngừa việc sử dụng thẻ trái phép Thẻ SIM cũng thực hiện thuật toán nhận thực (Authentication Algorithm) Ngoài ra SIM có khả năng lưu trữ thêm thông tin, chẳng hạn như tính cước các cuộc gọi đã gọi, số danh bạ điện thoại v.v…

SIM card cho phép người dùng sử dụng nhiều dịch vụ và cho phép người dùng truy cập vào các mạng di động mặt đất – PLMN khác nhau (nhờ tiêu chuẩn hoá giao diện SIM- ME)

* Hệ thống trạm gốc BSS

Hệ thống trạm gốc – BSS của GSM là thiết bị đặt tại phạm vi các cell, bao gồm một tổ hợp thiết bị thu/ phát vô tuyến và bảo quản vô tuyến BSS đảm bảo sự liên kết giữa thiết bị di động và trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di động MSC BSS sẽ liên lạc với trạm di động trên giao diện vô tuyến số

Um và với trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC qua đường truyền PCM 2 Mbps

Như đã giới thiệu ở trên, cấu hình của BSS gồm có 3 bộ phận: bộ điều khiển trạm gốc BSC, các trạm thu/ phát gốc BTS và bộ chuyển đổi mã thích ứng tốc độ TRAU Hình vẽ 2.8 diễn tả cấu hình BSS

Hình 2.7: Cấu trúc hệ thống trạm gốc BSS

Bộ điều khiển trạm gốc - BSC

BSC quản lý giao diện vô tuyến thông qua bộ điều khiển của BTS và

MS Côngviệc quản lý bao gồm các lệnh ấn định, giải gióng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao BSC có thể coi là một tổng đài nhỏ, nó quản lý nhiều BTS Hinh2.9 chỉ ra cấu hình của BSC

Hình 2.8: Cấu hình bộ điều khiển trạm gốc BSCBSC sẽ được kết hợp với một ma trận chuyển mạch số sẽ được dùng để kết nối các kênh vô tuyến trong các BTS riêng rẽ dưới sự điều khiển của BSC mà

không dính dáng đến MSC BSC sẽ đảm bảo điều khiển cho BSS Một thông tin bất kỳ do BTS yêu cầu cho khai thác sẽ được thông qua BSC Cũng như vậy thông tin bất kỳ được yêu cầu về BTS (ví dụ từ OMC) cũng thông qua BSC

Trạm thu phát gốc – BTS

BTS chứa phần cứng RF tức là các thiết bị thu/ phát ăng ten và khối xử

lý tín hiệu cho giao diện vô tuyến Um BTS như là một bộ điều chế/ giải điều chế (modem) vô tuyến phức tạp BTS sẽ cung cấp việc kết nối các giao giện

vô tuyến với máy di động, nó cũng có nhiều hạn chế về chức năng điều khiển, điều này làm giảm lưu lượng cần được truyền giữa BTS và BSC Cấu hình BTS được diễn tả bởi hình 2.10

Hình 2.9: Cấu hình trạm thu phát gốc BTSMỗi BTS cung cấp lần lượt từ 1 đến 6 sóng mang RF ứng với các kênh tần số vô tuyến RFC Mỗi hệ thống TDMA trong BTS lại đáp ứng 8 kênh vật

lý TDMA cho 1 kênh RFC, như vậy một trạm BTS có thể cung cấp từ 8 đến

48 cuộc gọi đồng thời

Bộ điều khiển trong trạm thu phát gốc có chức năng điều khiển và theo dõi các chức năng trong BTS thông qua các đường báo hiệu bên trong BTS Ngoài ra một chức năng quan trọng của BTS là điều khiển khả năng nhảy tần (frequency hopping) để chuyển đổi giữa các kênh RFC

BTS kết nối đến BSC thông qua giao diệnAbis là đường PCM 2 Mbps BSC và BTS điều khiển riêng rẽ hoặc cả hai cùng điều khiển một chức năng.Bảng dưới chỉ ra các chức năng và bộ phận điều khiển trong hệ thống

chuẩn kỹ thuật GSM để phát lên giao diện vô tuyến Tín hiệu 64 Kbps từ các

bộ điều chế xung mã PCM của MSC, nếu được phát trên giao diện vô tuyến

mà không có sự sửa đổi thì sẽ chiếm nhiều dải tần vô tuyến, điều này dẫn đến việc sử dụng phổ vô tuyến có sẵn là không hiệu quả Vì vậy bằng việc xử lý các luồng 64Kbps để giảm băng tần yêu cầu sao cho tổng lượng thông tin yêu cầu để phát thoại đã được số hoá giảm xuống 13Kbps

Bộ chuyển mã có thể được đặt ở MSC, BSC hay BTS, nếu nó được đặt tại MSC thì các kênh truyền 13Kbps được phát đến BSS bằng cách chèn thêm bit (bit stuffing) vào gần đầu (header) để có tốc độ truyền dữ liệu 16Kb/s và sau đó sẽ ghép 4 kênh 16Kb/s thành 1 kênh 64Kb/s để thành 1 kênh PCM do vậy, mỗi đường truyền PCM 2Mb/s 30 kênh có thể mang 120 kênh thoại CSM quy định, tức là sẽ tiết kiệm đối với nhà khai thác hệ thống, TrongTRAU có khối TC (Transcoder) để nén tiếng nói và khối RA (RARE Adapter) để thích ứng tốc độ truyền dữ liệu Hinh2.11 diễn tả cấu trúc và vai trò của TRAU

Hình 2.10: cấu trúc và vai trò của TRAU

+Trung tâm nhận thực thuê bao – AC.

+ Bộ triệt vang – EC

GSM có một hệ thống các thanh ghi định vị tạm trú (VLR), thanh ghi định vị thường trú (HLR) và thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR) Các thanh ghi định vị là các điểm xử lý được định hướng đến cơ sở dữ liệu của các bộ phận quản lý số liệu thuê bao theo bất cứ địa chỉ nào

Chức năng triệt vang EC có thể xem như một phần của MSC vì hoạt động của nó liên kết chính xác đến chuyển mạch cũng như liên kết các cuộc gọi thoại và số liệu đến và đi từ các trạm MS

* Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động - MSC

MSC (Mobile Services Switching Center) được hệ thống GSM dùng để chuyển mạch cuộc gọi, tức là thiết lập cuộc gọi đến MS và đi từ MS giống như một tổng đài điện thoại bất kỳ (hình 2.12) Tuy nhiên, do cần phải bổ xung thêm nhiều mặt điều khiển, bảo mật phức tạp trong hệ thống tế bào GSM MSC có khả năng đáp ứng nhiều chức năng bổ xung khác

GSM PCM30 PCM30

CCSControl

InterworkingUnit for data

Hình 2.11: Cấu trúc chung của tổng đài MSCMSC sẽ thực hiện hàng loạt các nhiệm vụ khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí của nó trong hệ thống Khi MSC cung cấp giao diện giữa PSTN và các BSS trong hệ thống GSM nó sẽ được hiểu như là một MSC cổng.

Mỗi MSC sẽ cung cấp dịch vụ đến các máy di động được định vị trong vùng phủ sóng địa lý xác định, một hệ thống điển hình gồm có nhiều MSC Một MSC có khả năng đáp ứng vùng đô thị một triệu dân

MSC thực hiện các chức năng sau:

+ Chức năng xử lý cuộc gọi bao gồm điều khiển thiết bị cuộc gọi thoại/số liệu liên kết các BSS, liên kết các MSC, các chuyển vùng, điều khiển việc quản lý di động (tính hợp lệ và vị trí của thuê bao)

+ Chức năng hỗ trợ, bảo dưỡng và khai thác – bao gồm việc quản lý cơ

sở dữ liệu, định lượng và đo lưu lượng thông tin, giao tiếp người –máy

+ Chức năng hoạt động tương tác giữa các mạng quản lý giao tiếp giữa

hệ thống GSM và hệ thống điện thoại công cộng PSTN

vào cơ sở dữ liệu do hãng khai thác mạng khi một MS mới được bổ sung vào

hệ thống

Bất kể MS hiện ở đâu , HLR đều lưu trữ mọi thông tin thuê bao liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, kể cả vị trí hiện thời của MS HLR thường là một máy tính đứng riêng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao, nhưng không có khả năng chuyển mạch Một số chức năng nữa của HLR

là nhận dạng thông tin AC cung cấp (số liệu bảo mật về tính hợp pháp của MS)

Các thông số được lưu trữ trong HLR gồm có:

+ Các chỉ số (ID) của thuê bao (IMSI và MSISDN)

+ VLR của thuê bao hiện thời (vị trí hiện thời)

+ Các dịch vụ bổ sung thuê bao yêu cầu

+ Thông tin về dịch vụ bổ sung (ví dụ: số máy chuyển tiếp hiện thời).+ Trạng thái thuê bao (đăng ký/xoá đăng ký)

+ Khoá nhận thực và chức năng AUC

+ Số lưu động thuê bao di động (MSRN)

Cơ sở dữ liệu của HLR chứa đựng cả dữ liệu chính của tất cả các thuê bao ở một mạng GSM PLMN Các dữ liệu trong HLR được truy cập từ xa bởi tất cả các MSC và các VLR trong mạng và dù cho mạng có nhiều HLR nhưng chỉ có một cơ xở dữ liệu cho một thuê bao Vì vậy một HLR chỉ được xử lý một phần cơ sở dữ liệu thuê bao

Dữ liệu thuê bao có thể được truy nhập hoặc bằng số IMSI hoặc số MSISDN Dữ liệu cũng có thể truy nhập bởi MSC hay một VLR trong một mạng PLMN khác cho phép liên kết hệ thống và liên kết vùng lưu động

* Bộ ghi định vị tạm trú - VLR

VLR là một cơ sở dữ liệu được nối với một hay nhiều MSC VLR sẽ sao chép hầu hết dữ liệu được lưu trữ tại HLR Tuy nhiên đó chỉ là dữ liệu tạm thời mà thuê bao đang hoạt động tại vùng phủ riêng của VLR Số liệu định vị

MS lưu giữ trong VLR chính xác hơn số liệu tương ứng trong HLR Do vậy

cơ sở dữ liệu VLR sẽ có một vài dữ liệu giống hệt như nhiều dữ liệu khi các thuê bao tồn tại trong vùng phủ của VLR VLR sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu nội

bộ về thuê bao bất cứ khi nào thuê bao tồn tại thực sự trong một mạng PLMN Các chức năng của VLR thường được liên kết với chức năng của MSC

Các dữ liệu bổ sung được lưu giữ ở VLR như sau:

+ Trạng thái của di động (bận, rỗi, không trả lời…)

+ Nhận dạng vùng định vị LAI

+ Nhận dạng thuê bao di động tạm thời TMSI

+ Số lưu động của trạm di động MSRN (Mobile Station Roaming Number)

Cơ sở dữ liệu trong VLR có thể sẽ được truy nhập bằng IMSI, TMSI hay MSRN Cấu hình điển hình là một VLR cho mỗi MSC

Nhận dạng vùng định vị LAI:

Các ô trong mạng di động PLMN được tập hợp liền nhau thành các vùng địa lí và mỗi vùng được ấn định một chỉ số nhận dạng vùng định vị LAI, một vùng định vị sẽ có khoảng 30 ô

Mỗi VLR sẽ kiểm soát một loạt các LAI và khi một thuê bao di chuyển

từ một LAI này đến một LAI khác, thì LAI sẽ được cập nhật vào một VLR

động tạm thời TMSI và sẽ thông báo chúng đến HLR.

Các TMSI sẽ được cập nhật thường xuyên, điều này sẽ làm cho việc phát hiện cuộc gọi là rất khó khăn và vì vậy đảm bảo an ninh rất cao cho thuê bao TMSI có thể được cập nhật ở trạng thái bất kì sau:

+ Thiết lập cuộc gọi

+ Đang vào một LAI mới

+ Đang vào một VLR mới

Số lưu động của thuê bao di động MSRN:

Khi một thuê bao muốn hoạt động ngoài vùng thường trú của nó tại một thời điểm nào đó thì VLR cũng sẽ chỉ định một số lưu động cho trạm di động MSRN, chỉ số này đươc ấn định từ một danh sách các số thuê bao được lưu giữ tại VLR (MSC) MSRN sau đó được sử dụng để định tuyến cuộc gọi đến một MSC sẽ điều khiển trạm gốc đến vị trí hiện thời của các trạm di động

* Bộ ghi nhận dạng thiết bị - EIR.

Ở EIR chứa một cơ sở dữ liệu trung tâm để xác nhận tính hợp lệ của chỉ

số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI Đây là số liệu chỉ liên quan đến thiết bị MS mà không liên quan đến thuê bao đang sử dụng MS Chỉ số IMEI

có 15 con số gồm các thành phần sau (Hình 2.13)

SP

Hình 2.12: Chỉ số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI

+ Mã chấp nhận kiểu TAC (Type Approval Code) gồm sáu số được gán cho thiết bị ME thuộc một nhóm nhất định mà GSM đã phân định ra

TAC FAC SN SP

+ Mã lắp ghép cuối cùng FAC (Final Assembly Code) gồm hai số đặc trưng cho việc định vị.

+ Mã sản phẩm SN (Serial Number) gồm 6 số do hãng sản xuất đánh số.+ Một bit dự phòng SP (Spare Bit)

Cơ sở dữ liệu EIR gồm có danh sách các số IMEI (hay các khối các IMEI) được cơ cấu như sau (Hinh 2.14)

+ Danh sách trắng (White List): Gồm các số IMEI đã được gán cho các máy di động hợp lệ

+ Danh sách đen (Black List): Gồm các số IMEI của các máy di động đã dược trình báo là mất cắp hoặc các dịch vụ bị từ chối vì một vài lí do nào đó.+ Danh sách xám (Gray List): Gồm các số IMEI của các máy di động có các vấn đề trục trặc (Như sửa lỗi phần mềm), tuy nhiên chưa đủ ý nghĩa để đưa vào “danh sách đen”

Hình 2.13 : Ba loại danh sách trong EIR

White list Approved but Black list

Approved.error- suspious Unapproved

Unsuspicious ment.stolen ? Bicause it is

Equipment Defeetive? Stolen or

defactive