ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển từ xa qua mạng Internet và GSM

MỤC LỤC TRANG CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP 9 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 9 1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI 10 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 10 1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 10 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11 1.6 KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU 11 1.7 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 12 CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC HỆ THỐNG GSM 14 2.1 CÁC THÀNH PHẦN MẠNG GSM 14 2.1.1 CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 14 2.1.2 CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI 15 2.2 BĂNG TẦN SỬ DỤNG TRONG GSM 19 2.2.1 GSM 900 19 2.2.2 GSM 1800 20 2.2.3 GSM 1900 21 2.3 CÁC THỦ TỤC TRONG GSM 21 2.3.1 CẬP NHẬT VỊ TRÍ 21 2.3.2 THỦ TỤC TÌM GỌI 25 2.3.3 THỦ TỤC KHỞI XƯỚNG CUỘC GỌI 25 2.3.4 THỦ TỤC NHẬN CUỘC GỌI 26 2.3.5 CHUYỂN GIAO (HANDOVER) 27 2.4 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP CUỘC GỌI TRONG MẠNG GSM 28 2.4.1 TRẠM DI DỘNG MS THỰC HIỆN CUỘC GỌI 28 2.4.2 MS NHẬN CUỘC GỌI 30 CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ TIN NHẮN SMS 33 3.1 GIỚI THIỆU VỀ SMS 33 3.2 TIN NHẮN SMS CHUỖI TIN NHẮN SMS DÀI 33 3.3 ĐIỀU GÌ LÀM CHO TIN NHẮN SMS TRỞ LÊN RỘNG KHẮP 34 3.4 SMS CENTRESMSC 35 3.5 NHẮN TIN SMS QUỐC TẾ 35 3.6 SMS GATEWAY 36 3.7 MÃ NGUỒN MỞ VÀ PHẦN MỀM SMS GATEWAY 38 CHƯƠNG 4 BỘ GIAO THỨC TCPIP 39 4.1 GIỚI THIỆU 39 4.2 TỔNG QUÁT VỀ TCPIP 39 4.2.1.TẦNG GIAO DIỆN MẠNG (NETWORK INTERFACE LAYER) 39 4.2.2 TẦNG LIÊN MẠNG (INTERNET LAYER) 40 4.2.3 TẦNG GIAO VẬN (TRANSPORT LAYER) 40 4.2.4 TẦNG ỨNG DỤNG (APPLICATION LAYER) 40 4.3 ĐỊA CHỈ IP 41 4.4 ĐỊA CHỈ IP PUBLIC VÀ ĐỊA CHỈ IP PRIVATE 43 4.4.1 ĐỊA CHỈ IP PUBLIC 43 4.4.2 ĐỊA CHỈ IP PRIVATE 43 4.5 LỚP ĐỊA CHỈ 44 4.6 SUBNET MASK 46 4.7 DEFAULT GATEWAY 47 4.8 CHIA SUBNET 47 4.9 SUPERNETTING 49 4.10 CIDR (CLASSLES INTERDOMAIN ROUTING) – ĐỊNH TUYẾN LIÊN VÙNG KHÔNG PHÂN LỚP 50 4.11 VARIABLE LENGTH SUNET MASKS (SUBNET MASKS CÓ CHIỀU DÀI THAY ĐỔI) 51 4.12 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC TCPIP VÀ INTERNET 55 4.12.1 ĐỊA CHỈ VẬT LÝ HAY CÒN GỌI LÀ ĐỊA CHỈ MAC 59 4.12.2 SAP 60 4.12.3 ĐỊA CHỈ MẠNG( NETWORK ADDRESS) 60 4.12.4 PROTOCOL ID 62 4.12.5 PORT 62 4.12.6 USERNAME 62 4.13 CÁCH MỞ PORT CHO MODEM 66 CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 70 5.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 70 5.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA GSM MODULE 71 5.3 KHỐI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO TIẾP 72 5.3.1 SƠ ĐỒ KHỐI 72 5.3.2 CHIP ARM STM32F103 72 5.3.3 KHỐI MAX232 85 5.3.4 KHỐI NGUỒN 5V SỬ DỤNG IC 7805 86 5.3.5 KHỐI NGUỒN 3.3V SỬ DỤNG IC 1117 87 5.4 KHỐI GSM MODULE SIM300CZ 88 5.4.1 SƠ ĐỒ KHỐI 88 5.4.2 KHỐI MODULE SIM300CZ 88 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 118 6.1 SẢN PHẨM 118 6.2 KẾT NỐI VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG 122 6.2.1 SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ 122 6.2.2 SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐỂ ĐỊNH VỊ ĐỐI TƯỢNG 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU

KHIỂN TỪ XA QUA MẠNG INTERNET VÀ GSM

ĐỀ TÀI ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Lê Ngọc Hồ Nguyên

Cán bộ chấm phản biện:

Đồ án tốt nghiệp được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM, ngày tháng năm 2011

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Họ và tên sinh viên: Phan Phước Long MSSV: 06117038 Võ Hồng Hoan MSSV: 06117027 Ngành: Công Nghệ Điện Tử Viễn Thông Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển từ xa qua mạng Internet và GSM 1) Cơ sở ban đầu:

2) Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

3) Các bản vẽ:

4) Giáo viên hướng dẫn:

5) Ngày giao nhiệm vụ:

6) Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Giáo viên hướng dẫn Ngày tháng năm 2011

Chủ nhiệm bộ môn



Ngày tháng năm 2011 Giáo viên hướng dẫn



Ngày tháng năm 2011

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của hệ thống mạng viễn thông cả về chất và lẫn về lượng, rất nhiều các thiết bị dân dụng và thiết bị sản suất đã ứng dụng thành công các tính năng và dịch vụ của mạng viễn thông vào việc điều khiển từ xa

Dựa trên tài nguyên công nghệ sẵn có, các ứng dụng điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng viễn thông đã ra đời và ngày càng trở nên phổ biến Hệ thống này ngày càng hoàn thiện, không phụ thuộc vào khoảng cách, độ tin cậy cao Xuất phát từ thực tiễn này, nhóm thực hiện đã quyết định chọn đề tài: “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA QUA MẠNG INTERNET VÀ GSM”

Cuốn đồ án gồm 2 nội dung quan trọng:

+ Lý thuyết về mạng di động GSM, tin nhắn SMS, giao thức TCP/IP, giao tiếp USB

+ Thiết kế thi công: giới thiệu linh kiện, phân tích mạch, kết luận

Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã nỗ lực rất nhiều để hoàn thành

đồ án, song thời gian thực hiện đề tài có hạn, kiến thức còn hạn chế nên nội dung không thể trách khỏi sai sót Rất mong nhận được những

ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn sinh viên để đồ án tốt nghiệp này được hoàn thiện

Xin chân thành cảm ơn !

Nhóm thực hiện

1 Phan Phước Long

2 Võ Hồng Hoan

LỜI CẢM ƠN



Trải qua hơn bốn năm học tập dưới mái Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, đã cung cấp cho chúng em những kiến thức về khoa học kỹ thuật chuyên ngành và trên hết là hun đúc trong chúng em ngọn lửa đam mê khoa học, rèn luyện chúng em một nghị lực vững vàng trong hành trang vào đời

Lời đầu tiên, nhóm thực hiện đồ án xin được gửi lòng biết ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, quý thầy cô trong trường và đặc biệt

là quý thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử, đã trực tiếp giảng dạy, chỉ dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em trong quá trình học tập vừa qua

Nhóm thực hiện cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Ngọc Hồ Nguyên đã tận tình hướng dẫn và động viên chúng em để hoàn thành tốt đồ án này

Ngoài ra, nhóm thực hiện cũng chân thành cảm ơn tất cả bạn bè

và người thân giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần giúp nhóm thực hiện hoàn thành đồ án đúng thời gian quy định

Nhóm thực hiện

1 Phan Phước Long

2 Võ Hồng Hoan

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 9

1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI 10

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 10

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 10

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

1.6 KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU 11

1.7 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 12

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC HỆ THỐNG GSM 14

2.1 CÁC THÀNH PHẦN MẠNG GSM 14

2.1.1 CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 14

2.1.2 CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI 15

2.2 BĂNG TẦN SỬ DỤNG TRONG GSM 19

2.2.1 GSM 900 19

2.2.2 GSM 1800 20

2.2.3 GSM 1900 21

2.3 CÁC THỦ TỤC TRONG GSM 21

2.3.1 CẬP NHẬT VỊ TRÍ 21

2.3.2 THỦ TỤC TÌM GỌI 25

2.3.3 THỦ TỤC KHỞI XƯỚNG CUỘC GỌI 25

2.3.4 THỦ TỤC NHẬN CUỘC GỌI 26

2.3.5 CHUYỂN GIAO (HANDOVER) 27

2.4 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP CUỘC GỌI TRONG MẠNG GSM 28

2.4.1 TRẠM DI DỘNG MS THỰC HIỆN CUỘC GỌI 28

2.4.2 MS NHẬN CUỘC GỌI 30

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ TIN NHẮN SMS 33

3.1 GIỚI THIỆU VỀ SMS 33

3.2 TIN NHẮN SMS CHUỖI/ TIN NHẮN SMS DÀI 33

3.3 ĐIỀU GÌ LÀM CHO TIN NHẮN SMS TRỞ LÊN RỘNG KHẮP 34

3.4 SMS CENTRE/SMSC 35

3.6 SMS GATEWAY 36

3.7 MÃ NGUỒN MỞ VÀ PHẦN MỀM SMS GATEWAY 38

CHƯƠNG 4 BỘ GIAO THỨC TCP/IP 39

4.1 GIỚI THIỆU 39

4.2 TỔNG QUÁT VỀ TCP/IP 39

4.2.1.TẦNG GIAO DIỆN MẠNG (NETWORK INTERFACE LAYER) 39

4.2.2 TẦNG LIÊN MẠNG (INTERNET LAYER) 40

4.2.3 TẦNG GIAO VẬN (TRANSPORT LAYER) 40

4.2.4 TẦNG ỨNG DỤNG (APPLICATION LAYER) 40

4.3 ĐỊA CHỈ IP 41

4.4 ĐỊA CHỈ IP PUBLIC VÀ ĐỊA CHỈ IP PRIVATE 43

4.4.1 ĐỊA CHỈ IP PUBLIC 43

4.4.2 ĐỊA CHỈ IP PRIVATE 43

4.5 LỚP ĐỊA CHỈ 44

4.6 SUBNET MASK 46

4.7 DEFAULT GATEWAY 47

4.8 CHIA SUBNET 47

4.9 SUPERNETTING 49

4.10 CIDR (CLASSLES INTER-DOMAIN ROUTING) – ĐỊNH TUYẾN LIÊN VÙNG KHÔNG PHÂN LỚP 50

4.11 VARIABLE LENGTH SUNET MASKS (SUBNET MASKS CÓ CHIỀU DÀI THAY ĐỔI) 51

4.12 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC TCP/IP VÀ INTERNET 55

4.12.1 ĐỊA CHỈ VẬT LÝ HAY CÒN GỌI LÀ ĐỊA CHỈ MAC 59

4.12.2 SAP 60

4.12.3 ĐỊA CHỈ MẠNG( NETWORK ADDRESS) 60

4.12.4 PROTOCOL ID 62

4.12.5 PORT 62

4.12.6 USERNAME 62

4.13 CÁCH MỞ PORT CHO MODEM 66

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 70

5.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA GSM MODULE 71

5.3 KHỐI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO TIẾP 72

5.3.1 SƠ ĐỒ KHỐI 72

5.3.2 CHIP ARM STM32F103 72

5.3.3 KHỐI MAX232 85

5.3.4 KHỐI NGUỒN 5V SỬ DỤNG IC 7805 86

5.3.5 KHỐI NGUỒN 3.3V SỬ DỤNG IC 1117 87

5.4 KHỐI GSM MODULE SIM300CZ 88

5.4.1 SƠ ĐỒ KHỐI 88

5.4.2 KHỐI MODULE SIM300CZ 88

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 118

6.1 SẢN PHẨM 118

6.2 KẾT NỐI VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG 122

6.2.1 SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ 122

6.2.2 SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐỂ ĐỊNH VỊ ĐỐI TƯỢNG 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

Hình 1.Mô hình hệ thống GSM 14

Hình 2.Hệ thống trạm gốc 15

Hình 3.Chức năng của MS 16

Hình 4.SIM – CARD 17

Hình 5.Giao tiếp giữa SSS và các hệ thống khác 18

Hình 6.Băng tần GSM D900 20

Hình 7.Băng tần hệ thống DSC 1800 20

Hình 8.Băng tần GSM 1900 21

Hình 9.Cập nhật vị trí kiểu bình thường 22

Hình 10.Quá trình rời khỏi mạng 23

Hình 11.Đăng ký định kỳ 24

Hình 12.Cuộc gọi từ mạng cố định kết cuối ở MS (MTC) 27

Hình 13.Một SMS gateway hoạt động như một relay giữa hai SMSC 36

Hình 14.Một ứng dụng tin nhắn SMS dạng text kết nối các SMSC không cần SMS gateway 37

Hình 15.Một ứng dụng tin nhắn SMS dạng text kết nối các SMSC thông qua một SMS gateway 37

Hình 16.Một ứng dụng tin nhắn SMS dạng text kết nối một nhóm các điện thoại (hay các modem thông qua SMS gateway) 38

Hình 17.Mô tả khái quát về Bộ giao thức TCP/IP 41

Hình 18.Cấu trúc bit của một địa chỉ IP(V4) 42

Hình 19.Cách đổi số nhị phân sang thập phân 43

Hình 20.Sự khác biệt giữa các lớp IP 45

Hình 21.Minh họa ưu điểm của chia Subnet 48

Hình 22.Supernetting 50

Hình 23.Định tuyến liên vùng không phân lớp 50

Hình 24.Subnet mask chiều dài thay đổi 51

Hình 25.Kết cấu vật lý của mạng 56

Hình 26.Đường đi của mạng 57

Hình 27.Hệ thống tên và địa chỉ của mạng Internet 59

Hình 28.Địa chỉ IP vật lý 60

Hình 29.Sơ đồ DNS 61

Hình 30.Gửi 13 byte dữ liệu theo chuẩn TCP 64

Hình 31.Dữ liệu thông báo thừa nhận ACK 64

Hình 32.Quá trình kết nối giữa 2 máy trong mạng 65

Hình 33.Đăng nhập modem 66

Hình 34.Giao diện Port NAT 67

Hình 35.Thay đổi thông số Port NAT 67

Hình 36.Bỏ chọn Active Firewall 68

Hình 37.Sơ đồ hoạt động tổng quan của hệ thống 70

Hình 40.Chip ARM Cortex M3 72

Hình 41.So sánh bộ nhớ ARM thường và ARM Cortex 74

Hình 42.Sơ đồ chân chip STM32F103 75

Hình 43.Sơ đồ khối của thiết bị ngoại vi USB 76

Hình 44.Độ dài Word lập trình 82

Hình 45.Cấu hình các bit Stop 83

Hình 46.Phát hiện bit Start 84

Hình 47.Sơ đồ mạch nguyên lý khối MAX232 85

Hình 48.Sơ đồ chân của IC MAX232 86

Hình 49.Sơ đồ mạch nguyên lý nguồn 5V 86

Hình 50.Sơ đồ chân IC 7805 87

Hình 51.Khối nguồn 3.3V sử dụng IC 1117 87

Hình 52.Sơ đồ khối tổng quan của module GSM 88

Hình 53.Kích thước kỹ thuật của module SIM300CZ 91

Hình 54.Vị trí chân kết nối DIP của module SIM300CZ 91

Hình 55.Nối chân VBAT cho module Sim300CZ 96

Hình 56.Điện áp VBAT trong quá trình truyền 96

Hình 57.Thời gian mở SIM300CZ 96

Hình 58.Kết nối giao tiếp nối tiếp 97

Hình 59.Giao tiếp nâng cấp phần mềm và giao tiếp 98

Hình 60.Cấu hình giao tiếp Speaker 99

Hình 61.Cấu hình giao tiếp Speaker với bộ khuếch đại 99

Hình 62.Cấu hình giao tiếp Microphone 100

Hình 63.Cấu hình Buzzer 100

Hình 64.Giao tiếp thẻ SIM 101

Hình 65.Mạch kết nối LED báo NETLIGHT 101

Hình 66.Thiết lập cấu hình mặc định 102

Hình 67.Khởi tạo vùng nhớ 105

Hình 68.Nhận và đọc tin nhắn 106

Hình 69.Gửi tin nhắn 107

Hình 70.Thực hiện cuộc gọi 109

Hình 71.Nhận cuộc gọi đến 111

Hình 72.Khởi tạo vùng nhớ 112

Hình 73.Thiết lập kết nối GPRS 113

Hình 74.Truyền nhận gói dữ liệu TCP 114

Hình 75.Hủy bỏ kết nối 115

Hình 76.Sơ đồ mạch nguyên lý mạch nguồn 116

Hình 77.IC LM2576 117

Hình 78.Layout Kit ARM 118

Hình 81.Module Sim300CZ 121

Hình 82.Giao diện điều khiển của phần mềm SMSCK 122

Hình 83.Giao tiếp điều khiển ngoại vi qua cổng USB 122

Hình 84.Mô hình điều khiển qua Socket 123

Hình 85.Mô hình điều khiển qua tin nhắn SMS 123

Hình 86.Mô hình hệ thống đầy đủ 124

Hình 87.Mô hình hệ thống định vị đối tượng 125

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 1.Kế hoạch thực hiện đề tài 11

Bảng 2.Mô tả sự kết hợp giữa kí hiệu thập phân và kí hiệu khoa học 42

Bảng 3.Các vùng IP cung cấp cho host 44

Bảng 4.Mô tả khái quát về các lớp địa chỉ IP 45

Bảng 5.Những Subnet Mask mặc định cho các Lớp mạng 46

Bảng 6.Chia Subnet Mask 53

Bảng 7.Chia Subnet Mask 54

Bảng 8.Chia Subnet Mask 54

Bảng 9.Chia Subnet Mask cho các lớp 55

Bảng 10.Tính năng chủ chốt SIM300CZ 89

Bảng 11.Chức năng chân của module SIM300CZ 92

Bảng 12.Mô tả chân kết nối DIP 93

Bảng 13.Trạng thái báo hiệu đèn 101

PHẦN A GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, đặc biệt là sự bùng nổ trong lĩnh vực Công nghệ thông tin và Viễn thông đã tạo ra bước ngoặc quan trọng đáp ứng nhu cầu của con người, biến những đòi hỏi tưởng chừng như không tưởng trước đây thành hiện thực

Với nhu cầu thông tin ngày càng tăng của con người, mạng viễn thông đã ra đời

để đáp ứng nhu cầu đó Hiện nay, mạng viễn thông đã trở nên phổ biến trên toàn cầu

và gần gũi với con người, không chỉ đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin đơn thuần (nghe gọi, nhắn tin) mà chúng càng ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực Với sự phát triển nhanh chóng các dịch vụ và ứng dụng việc thông tin qua mạng viễn thông ngày tiện lợi, tiết kiệm thời gian, đảm bảo an toàn và tiết kiệm được chi phí

sử dụng Với chất lượng mạng viễn thông như hiện nay đã tạo điều kiện cho các ứng dụng về điều khiển từ xa ra đời và càng ngày càng được ứng dụng rộng rãi

Xã hội loài người phát triển đòi hỏi con người phải hoạt động trong các môi trường phức tạp và nguy hiểm hơn, khi đó điều khiển từ xa trở nên một yêu cầu tất yếu Từ những robot làm việc trong các hầm mỏ, nhà máy điện hạt nhân, dưới đáy đại dương, robot chiến trường hay các robot khám phá các hành tinh xa xôi đều là các thành tựu công nghệ về điều khiển từ xa

Với sự phát triển của mạng Internet và công nghệ robot, ngành y khoa đã thực hiện được một việc không tưởng đó là “phẫu thuật tim từ xa qua mạng Internet” Bác

sĩ chuyên gia tim mạch người Mỹ Andre Ng đã thực hiện thành công ca phẫu thuật

tim từ xa đầu tiên của thế giới tại Bệnh viện Glenfield ở Leicester thuộc Vương quốc Anh Bằng cách sử dụng thao tác trên bộ điều khiển Remote Catheter được chế tạo bởi công ty Catheter Robotics ở New Jersey, United States

Với điều kiện cơ sở vật chất hiện có ở nước ta và nhu cầu thực tế Thì ứng dụng điều khiển các thiết bị từ xa qua mạng Internet và mạng điện thoại di động GSM là rất khả thi Ứng dụng này sẽ giúp người điều khiển các thể quản lý và điều khiển các thiết

bị một cách nhanh chóng, chính xác, hiệu quả mà không bị giới hạn về khoảng cách chỉ cần nơi đó có mạng Internet hoặc mạng di động phủ sóng

Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm thực hiện đề tài đã quyết định nghiên cứu và thực hiện đề tài “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA QUA MẠNG INTERNET VÀ GSM”

Với đề tài trên nhóm đề tài đã thực hiện việc điều khiển từ xa theo ba hướng hướng chính:

 Điều khiển trực tiếp qua cáp USB kết nối giữa máy tính có cài phần mềm ứng dụng SMS Controller Kit và KIT điều khiển Cho phép điều khiển thiết

bị qua phần mềm với khoản cách ngắn

 Điều khiển Kit điều khiển thông qua Socket mạng Internet/LAN giữa các máy tính có cài phần mềm SMS Controller Kit

 Điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS từ bất kỳ thuê bao di động nào KIT điều khiển sẽ nhận tin nhắn SMS theo cấu trúc cho trước Phân tích yêu cầu

điều khiển và thực hiện điều khiển thiết bị

Ngoài ra hệ thống còn có các chức năng phụ giống như một chiếc di động như nhận và thực hiện cuộc gọi và nhắn tin

1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, đất nước ta đang tiến hành công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Đứng trước bối cảnh bùng nổ khoa học công nghệ hiện nay Việt Nam đã thực hiện chủ trương “đi tắc đón đầu” về khoa học công nghệ, tạo tiền đề cho các lĩnh vực khác phát triển Và Việt Nam đang trở thành nơi đầy tiềm năng về phát triển khoa học công nghệ và điện tử Đặc biệt là nơi phát triển nhanh chóng trong các lĩnh vực Công nghệ thông tin, điện tử viễn thông và tự động hóa

Trong lĩnh vực điện tử thì ứng dụng điều khiển từ xa đã khá phổ biến, chẳng hạn như: điều khiển bằng tia hồng ngoại, sóng vô tuyến, sóng siêu âm tuy nhiên những phương pháp này hạn chế về điều kiện môi trường, địa hình và phạm vi điều khiển hẹp

Do đó, đề tài này không những là một yêu cầu từ thực tế khách quan mà có vai trò đặc biệt quan trọng trong hiện tại và tương lai Ưu điểm rất dễ nhận thấy của đề tài

là khắc phục các hạn chế về khoảng cách, rất thông dụng dễ dàng thực hiện với các thiết bị gần gũi với con người, sẽ góp phần tăng hiệu suất thiết bị, giảm tổn hao về thời gian và chi phí Đặt biệt là nó rất phù hợp với phong cách làm việc ngày càng hiện đại

và năng động trong thời kỳ khoa học công nghệ hiện nay

Vì vậy, việc thực hiện đề tài là một nhu cầu hết sức cần thiết và đó cũng là lý do nhóm thực hiện quyết định chọn đề tài này

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Do điều kiện thời gian và kinh phí có hạn, kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên phạm vi đề tài của nhóm thực hiện gồm các nội dung như sau:

- Sử dụng module SIM300CZ để thiết lập giao tiếp với mạng di động GSM và GPRS

- Dùng chip ARM STM32F103x làm chip điều khiển thiết bị và giao tiếp với phần mềm quản lý

- Sử dụng Socket mạng và tin nhắn để phục vụ cho việc điều khiển từ xa

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Đồ án được nghiên cứu và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức

đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống điều khiển tự động từ xa bằng tin nhắn SMS và qua mạng Internet hoàn chỉnh

- Tìm hiều về hệ thống điện thoại di động GSM hiện nay Nghiên cứu và sử dụng các module GSM/GPRS phổ biến hiện nay (Ví dụ như các module SIMxxx) Module nhóm thực hiện nghiên cứu và sử dụng là module SIM300CZ của hãng

SIMCom

- Nghiên cứu và sử dụng chip vi điều khiển ARM Cortex M3 Chip mà nhóm đã

tiến hành nghiên cứu và sử dụng là chip STM32F103 của hãng STMicroelectronics

- Nghiên cứu và lập trình socket trên Java Sản phẩm của nhóm là phần mềm

giao tiếp điều khiển SMS Controller Kit Có khả năng giao tiếp với KIT điều khiển

qua cổng USB và giao tiếp Socket với máy tính khác qua mạng Internet với chuẩn giao tiếp TCP/IP

- Nghiên cứu lập trình Driver cho hệ thống Mà cụ thể ở đây là lập trình driver cho cổng USB

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Phương pháp đọc và nghiên cứu tài liệu: Chủ yếu là các tài liệu có kiến thức liên hệ đến kỹ thuật điện tử, ngoại vi và vi xử lý, các phương thức giao tiếp

 Phân tích công trình liên quan

 Phương pháp thực nghiệm: Kết nối phần cứng (board) giao tiếp USB, Cổng COM, socket Dùng module khảo sát đo đạt vị trí sau đó gửi về server qua kết nối Internet và GPRS

1.6 KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU

Bảng 1: Kế hoạch thực hiện đề tài

6 Viết đề cương và in

1.7 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Với những mục tiêu và kế hoạch đã đề ra, cùng với sự nỗ lực nghiên cứu, tìm tòi của

các thành viên trong nhóm thực hiện đề tài, nhóm thực hiện đã đạt được những kết quả nhất định sau:

- Thiết kế thành công kit giao tiếp module sim300CZ với các tính năng:

+ Nhận và gọi điện thoại thông qua phần mềm điều khiển SMS Controller Kit giao tiếp với kit điều khiển

+ Nhận và gửi tin nhắn thông qua phần mềm điều khiển SMS Controller Kit giao tiếp với kit điều khiển

- Thiết kế thành công kit điều khiển giao tiếp sử dụng chip ARM Cortex M3 với các tính năng sau:

+ Giao tiếp với phần mềm điều khiển qua cổng USB để gửi nhận và xử lí các yêu cầu từ phần mềm điều khiển SMS Controller Kit như : điều khiển bật tắt thiết bị, gọi điện, nhận cuộc gọi, nhận tin nhắn và gửi tin nhắn

+ Giao tiếp thành công với kit SIM300CZ để nhận cuộc gọi, gọi điện, nhận tin nhắn và gửi tin nhắn

+ Có khả năng nhận cuộc gọi độc lập mà không cần kết nối đến máy tính và phần mềm điều khiển

+ Có khả năng điều khiển thiết bị thông qua tin nhắn một cách độc lập mà không cần kết nối đến máy tính và phần mềm điều khiển

- Thiết kế thành công phần mềm điều khiển SMS Controller Kit với các tính năng:

+ Là một phần mềm cài đặt hoàn chỉnh có thể hoạt động trên các phiên bản Windows XP,Windows Vista và Windows 7

+ Giao tiếp với kit điều khiển để gửi các yêu cầu điều khiển thiết bị

+ Có thể gọi điện, nhắn tin, nhận cuộc gọi và nhận tin nhắn thông qua kết nối với ngoại vi là kit điều khiển và kit SIM300CZ

+ Gửi nhận các yêu cầu điều khiển bật tắt thiết bị trên socket mạng cũng như thông qua tin nhắn SMS

+ Có khả năng định vị, giám sát toàn cầu các đối tượng và hiển thị lên bản đồ Google Earth cũng như bản đồ cá nhân Một hệ thống quản lí xe bus hoàn chỉnh được chọn để minh họa cho khả năng của phần mềm

+ Cho phép kiểm tra thông tin tài khoản cũng như kiểm soát thông tin mạng di động của kit điều khiển

- Ngoài ra, kit điều khiển được thiết kế sẵn sàng cho việc phát triển các ứng dụng

di động ở các đề tài liên quan đến lập trình di động trong tương lai

PHẦN B NỘI DUNG

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC HỆ THỐNG GSM

2.1 CÁC THÀNH PHẦN MẠNG GSM

2.1.1 CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

Hình 1.Mô hình hệ thống GSM Các ký hiệu:

SS (Switching Subsystem ): Hệ thống chuyển mạch

AUC (Authentication Center ): Trung tâm nhận thực

VLR (Visitor Location Register ): Thanh ghi định vị tạm trú

HLR (Home Location Register ): Thanh ghi định vị thường trú

EIR (Equipment Indentity Register ): Thanh ghi nhận dạng thiết bị

MSC (Mobile services Switching Center) Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di

động gọi tắt là: Tổng đài vô tuyến

BSS ( Base Station System ): Hệ thống con trạm gốc

BTS ( Base Transceiver Station ): Trạm thu phát gốc

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

Hệ thống trạm gốc Truyền dẫn tin tức

Kết nối cuộc gọi và truyền dẫn tin tức

PLMN ( Public Land Mobile Network ): Mạng di động công cộng mặt đất

2.1.2 CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI

Cấu trúc tổng quát của hệ thống GSM có thể chia làm 3 hệ thống con:

BSS gồm có 4 thành phần như sau:

 MS: Trạm di động là thiết bị thu phát cá nhân do người đăng ký thuê bao trực

tiếp sử dụng MS có thể là một may điện thoại di động cầm tay, máy điện thoại di động xách tay hoặc gắn trên xe hơi Đối với hệ thống GSM, một MS gồm 2 thành phần

ME và SIM

 ME: Là thiết bị phần cứng thực hiện chức năng thu phát tín hiệu ME trở

thành MS chỉ khi nào SIM card được chèn vào trong ME Nếu không có SIM,

ME không thể thực hiện được bất cứ dịch vụ nào trừ trường hợp gọi khẩn cấp

112 Mỗi ME được nhận dạng riêng bang số định nghĩa thiết bị duy nhất (Số IMEI) được lưu trữ bên trong

Một ME được chia làm 3 khối chức năng:

- Thiết bị đầu cuối TE (Terminal Equipment): cung cấp cho thuê bao 1 dịch

vụ cụ thể (ví dụ máy fax) TE không thực hiện bất cứ chức năng nào của hệ thống GSM

- MT (Mobile Termination): là thiết bị chịu trách nhiệm về việc truyền dẫn

thông tin qua giao diện vô tuyến

- Thiết bị thích ứng TA (Terminal Adaptor): là thiết bị được sử dụng để tạo

ra sự tương hợp giữa TE và MT

Hình 3.Chức năng của MS

 SIM : Là thẻ chip mà bên trong có các bộ nhớ để lưu trữ thông tin cá

nhân của thuê bao di động và một số thông tin của mạng

Hình 4.SIM – CARD

SIM-card có một vùng nhớ cố định để lưu trữ các thông tin của 1 thuê bao cụ thể nào đó, bao gồm:

- IMSI (International Mobile Subscriber Identity): đây là chỉ số để phân biệt

các thuê bao khác nhau trong mạng GSM IMSI có tối đa 15 chữ số:

- MCC (Mobile Country Code): có 3 chữ số, xác định quốc gia mà thuê bao

đăng ký

- MNC (Mobile Network Code): có 2 chữ số, xác định mạng di động mà thuê

bao đăng ký

- MSIN (Mobile Subscriber Identification Number): mỗi giá trị MSIN sẽ xác

định một thuê bao trong mạng di động

Từ số IMSI ta có thể xác định được mạng thường trú (home network) của thuê bao Khóa nhận thực thuê bao Ki Thuật toán bảo mật A8

Ngoài các thông tin trên bắt buộc phải có, trong mỗi SIM-card còn có một số thông tin tùy chọn như các mẩu tin nhắn, danh sách các số điện thoại viết tắt (gồm các kí tự hay kí hiệu đại diện cho một số điện thoại nào đó), những

số điện thoại mà thuê bao vừa mới gọi… SIM-card được bảo vệ bằng 1 password, gọi là mã PIN (Personal Identity Number) gồm từ 4 đến 8 chữ số, do thuê bao tùy chọn Nếu nhập sai giá trị của PIN trong 3 lần liên tiếp (cho dù giữa các lần đó SIM được rút ra hoặc tắt máy) thì SIM sẽ bị khóa Để mở khóa người sử dụng phải nhập vào 1 mã số khác để bẻ khóa, đó là PUK (PIN Unblocking Key) gồm 8 chữ số Trong trường hợp sau 10 lần mà vẫn không nhập được giá trị đúng của PUK thì SIM bị khóa hoàn toàn

Khi thuê bao muốn sử dụng thiết bị di động để thực hiện một dịch vụ nào đó thì phải gắn SIM-card vào Nếu không có SIM, MS sẽ không hoạt động được (ngoại trừ các cuộc gọi khẩn cấp) Một SIM-card có thể được sử dụng cho nhiều loại ME khác nhau, do đó rất thuận tiện cho người sử dụng Chẳng hạn khi máy điện thoại của thuê bao bị hỏng, họ có thể mượn máy của người khác

và gắn SIM của mình vào để dùng tạm trong thời gian sửa chữa Như vậy có thể nói SIM-card chính là nền tảng của hệ thống liên lạc cá nhân

 BTS: Trạm thu phát gốc, chức năng của BTS là tạo ra vùng hoạt động cho MS

Vùng phủ sóng nhỏ nhất của một BTS gọi là một tế bào ( cell ) BTS giao tiếp với MS qua đường vô tuyến BTS hoạt động dưới sự điều khiển của BSC

 BSC: Bộ điều khiển trạm gốc, chức năng chính của BSC là điều khiển các hoạt

động của BTS như: quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển nhảy tần, điều khiển chuyển giao… Một BSC có thể điều khiển nhiều BTS Với chức năng ngày, một BSC

có thể được xem như là một bộ chuyển mạch-báo hiệu

 TRAU ( Transcoding and Rate Adaption Unit ): Bộ tương thích tốc độ và

chuyển mã Nhiệm vụ của TRAU là biến đổi tốc độ của luồng dữ liệu cho phù hợp với đường truyền đồng thời còn thực hiện chức năng chuyển mã Tuỳ theo cấu hình từng mạng khác nhau mà TRAU có thể lắp đặt ở BSC hoặc MSC

2.1.2.2 Hệ thống con chuyển mạch SS

Chức năng chính của SS là xử lý cuộc gọi và quản lý thuê bao di động

Hình 5.Giao tiếp giữa SSS và các hệ thống khác

Các thành phần trong SS gồm 5 thành phần:

 MSC: Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động là thành phần trung tâm của

SS, MSC thực hiện tìm đường và kết nối cuộc gọi, giao tiếp với mạng bên ngoài PSTN, ISDN, PLMN khác… Đây là nơi duy nhất thực hiện chức năng chuyển mạch cuộc gọi trong hệ thống Ngoài ra MSC còn tổng hợp số liệu của các cuộc gọi để tham gia quản lý cước phí thuê bao

 HLR: Thanh ghi định vị thường trú nó lưu trữ tất cả các thông tin của thuê bao

di động, thông tin lưu trữ trong HLR do người khai thác mạng cập nhật vào Thông tin ngày không cho biết vị trí hiện tại cụ thể của thuê bao di động mà chỉ cho biết VLR mà thuê bao đang hiện diện Các trường thông tin lưu trữ trong HLR gồm:

 IMSI : Số định nghĩa thuê bao di động quốc tế

 Ki : Khoá nhận thực thuê bao

 VLR : Hiện tại của thuê bao

 Các dịch vụ của thuê bao di động

 MSRN : Số chuyển vùng của thuê bao di động

 VLR: Thanh ghi định vị tạm trú là cơ sở dữ liệu chứa thông tin của MS Thông

tin này cho biết vị trí hiện tại của MS, trạng thái của MS… Thông tin cập nhật trong VLR một cách tự động thông qua thủ tục cập nhập vị trí của thuê bao Thông tin trong VLR có tính cách tạm thời, nó thay đổi khá thường xuyên Ngoài ra VLR tham gia việc kiểm tra nhận thực một thuê bao có đủ quyền để truy xuất vào mạng hay không Các trường thông tin lưu trữ trong VLR gồm:

 Trạng thái của thuê bao ( tắt, mở, bận, rỗi…)

 Số LAI hiện tại của thuê bao

 Số thuê bao tạm thời ( TMSI )

 MSRN : Số chuyển vùng của thuê bao di động

 EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị dùng để quản lý thiết bị di động ME Thông

tin lưu trữ trong EIR chính là các số định nghĩa thiết bị di động EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu, nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị Bang cách ngày một MS có thể được hoặc không được cho phép truy xuất vào mạng

 AC: Trung tâm nhận thực, chức năng của AC là kết hợp với HLR cung cấp

cho VLR các thông số để nhận thực một MS có quyền truy nhập vào mạng hay thống

2.1.2.3 Hệ thống con OMS

OMS: Thực chất là một mạng máy tính được kết nối với các thành phần trong hệ

thống để thực hiện chức năng điều hành và bảo dưỡng hệ thống Đây cũng là nơi duy nhất mà người khai thác giao tiếp được với mạng di động

Một OMS gồm có 2 thành phần như sau:

 OMC: Trung tâm điều hành và bảo dưỡng mạng OMC thực hiện các chức

năng có tính cách cục bộ Trung tâm ngày hỗ trợ một số chức năng sau:

 Quản lý cấu hình của mạng

 Quản lý quá trình làm việc của mạng

và hướng xuống trong cùng một kênh là 45 MHz Độ rộng băng mỗi kênh là 200 KHz

Các mạng di động GSM ở Việt Nam hiện nay đang sử dụng băng tần này

 MS thay đổi trạng thái

 MS di chuyển từ vùng LAI này sang vùng LAI khác

 Theo chu kỳ thời gian

60 MHz

2.3.1.1 Cập nhật vị trí khi MS chuyển trạng thái :

Khi MS chuyển từ trạng thái tắt máy sang mở may thì công việc đầu tiên là phải thực hiện đăng ký vị trí Đây là lần đầu nó thực hiện đăng ký để nhập mạng Nguyên tắc của thủ tục đăng ký lần đầu như sau:

Trước hết trạm MS quét tất cả các kênh tần số trong hệ thống để tìm được tần

số đúng ( FCCH ) Sau đó MS sẽ đọc được các thông tin về mạng và thông tin của BTS mà nó đang định vị thông qua kênh BCCH Tiếp theo MS yêu cầu cho phép cập nhật vị trí để thông báo cho VLR phụ trách và HLR về vị trí của mình Khi đó MS sẽ

sử dụng một số thông tin cá nhân được lưu trữ trong SIM và các thông tin từ kênh BCCH để trả lời cho hệ thống Các cơ sở dữ liệu này sẽ ghi LAI hiện thời của MS

Khi thủ tục cập nhật thành công thì MSC/ HLR công nhận là MS tích cực và đánh dấu cờ “ thâm nhập vị trí tích cực “ vào trường dữ liệu của mình

Khi tắt nguồn MS hay lấy SIM card ra khỏi MS thì sẽ xảy ra quá trình trao đổi báo hiệu trong Trường hợp này được thực hiện như sau:

 MS yêu cầu một kênh báo hiệu để phát đi bản tin thông báo cho mạng rằng

MS chuẩn bị vào trạng thái không tích cực Điều này có nghĩa rằng mạng không

thể quản lý được MS nữa

 Thông tin chuyển trạng thái có thể được lưu giữ tại VLR Tuỳ chọn cờ rời

mạng có thể cũng được thiết lập ở HLR và công nhận được gởi trở lại VLR

Hình 10.Quá trình rời khỏi mạng

Khi trạm MS được bật lại nguồn tại vùng định vị khi nó vào trạng thái không tích cực thì gọi là tái nhập mạng Thông tin phát quảng bá của ô sẽ nói cho MS cần nhập lại IMSI hay thống

Quá trình nhập IMSI trong trường hợp này xảy ra như sau:

 MS yêu cầu một kênh báo hiệu

 MSC nhận cờ nhập lại mạng từ MS

 MSC gởi bản tin nhập lại IMSI đến VLR

 VLR xoá cờ rời bỏ IMSI và gởi bản tin công nhận nhập lại IMSI đến MSC

và trở lại quá trình xử lý cuộc gọi như thường lệ cho MS

 MS chấp nhận bản tin nói trên

Nếu sau khi tắt (rời bỏ IMSI) trạm MS thay đổi vùng định vị, thì khi bật lại nguồn nó phải tiến hành quá trình cập nhật vị trí bình thường để vào lại trạng thái tích cực

Báo hiệu cho trường hợp cập nhật vị trí khi nhập lại IMSI cũng giống như cập nhật vị trí bình thường chỉ khác ở 3 bit yêu cầu cập nhật vị trí để chỉ ra kiểu cập nhật

và không cần

2.3.1.2 Cập nhật vị trí khi MS thay đổi LAI

Do tính năng của thuê bao di động là thay đổi vị trí thường xuyên nên mỗi khi

MS chuyển từ LAI này sang LAI khác thì thủ tục cập nhật vị trí cũng xảy ra Tồn tại hai dạng cập nhật vị trí khi thay đổi LAI:

MS chuyển từ LAI này sang LAI khác nhưng cả hai LAI này đều trực thuộc cùng một tổng đài MSC Trong trường hợp này cập nhật vị trí không cần thông báo đến HLR vì HLR chỉ quản lý vị trí của MS đến tổng đài MSC phụ trách MS

MS chuyển từ LAI này sang LAI khác nhưng mỗi LAI này trực thuộc một tổng đài MSC khác nhau Vì thể cập nhật vị trí được thông báo HLR để nó ghi lại vị trí mới của tổng đài quản lý MSC

MS nhận biết được việc thay đổi LAI của mình nhờ vào thông tin đọc được trên kênh BCCH Kênh này được các BTS phát thường trực để cung cấp cho các MS đang định vị tại vùng phủ sóng của nó Khi MS nhận được thông tin về LAI mới ở kênh BCCH thì nó sẽ yêu cầu dịch vụ cập nhật vị trí

2.3.1.3 Cập nhật vị trí định kỳ

Để tránh việc tìm gọi không cần thiết khi MSC không nhận được bản tin rời bỏ IMSI ở MS không tích cực, tồn tại cập nhật một dạng vị trí khác được gọi là đăng ký định kỳ Quá trình này được cho ở hình sau:

Hình 11.Đăng ký định kỳ

Thông tin hệ thống được phát quảng bá (1) sẽ thông báo cho MS về đăng ký định kỳ có được sử dụng hay thống ở ô Nếu có mạng sẽ thông báo cho MS chu kỳ cần thông báo cho mạng rằng nó đang nhập mạng Thông số này được thiết lập bởi nhà khai thác (0 đến 255 của 6 phút) Nếu thông số này được đặt bằng 1 (6 phút) thì MS phải đăng ký với chu kỳ 6 phút

Thủ tục này được điều khiển bởi cả bộ định thời ở MS (2a) và MSC (2b), MSC

có chức năng theo dõi thời gian này

Khi hết thời gian nói trên MS phải thực hiện cập nhật vị trí (3a) Các bộ định thời ở MS và MSC được khởi động lại

Nếu MS không đăng ký trong khoảng thời gian nói trên bộ phận theo dõi của MSC sẽ đánh dấu MS này vào trạng thái rời mạng (3b)

2.3.2 THỦ TỤC TÌM GỌI

Khi có một cuộc gọi tới cho thuê bao di động MS, đầu tiên số thuê bao bị gọi sẽ được gởi tới MSC/VLR Trước khi thực hiện chuyển mạch, MSC sẽ truy xuất vào VLR để xác định vị trí hiện tại của thuê bao bị gọi và sau đó gởi bản tin tìm gọi đến các BTS thông qua BSC Các bản tin này sẽ được thông báo đến tất cả các BTS thuộc cùng một LAI Tất cả các MS đang ở trong LAI này sẽ nhận được thông báo tìm gọi nhưng chỉ có MS bị gọi mới phúc đáp thông báo này

Đầu tiên MS sẽ phát một bản tin yêu cầu cấp phát kênh để tiếp nhận cuộc gọi đến Trước khi chỉ định cho MS một kênh vật lý cụ thể thì hệ thống thực hiện kiểm tra quá trình nhận thực của thuê bao, đồng thời bắt buộc giữa BTS và MS phải thoả thuận một mật mã để bảo mật thông tin Khi các yêu cầu của hệ thống được đáp ứng sẵn sàng thì lúc này thuê bao mới được quyền tiếp nhận cuộc gọi tới

2.3.3 THỦ TỤC KHỞI XƯỚNG CUỘC GỌI

Khi trạm MS ở trạng thái tích cực và đã đăng ký vị trí, MS có thể thực hiện cuộc gọi Quá trình thực hiện cuộc gọi được mô tả như sau:

Đầu tiên MS gởi yêu cầu xin cấp phát kênh đến BTS thông qua kênh truy xuất ngẫu nhiên MS thông báo rằng nó muốn thiết lập cuộc gọi Số nhận dạng trạm di động được phân tích và MS được đánh dấu bận ở VLR Trước khi cấp kênh hệ thống yêu cầu thực hiện các công việc sau:

 Nhận thực thuê bao

 Thoả thuận một khoá mật mã trên đường truyền vô tuyến

MSC nhận được bản tin thiết lập từ MS có chứa thông tin về loại dịch vụ mà

MS yêu cầu, số thoại bị gọi MSC kiểm tra là MS không có các dịch vụ cấm gọi ra (dịch vụ này có thể kích hoạt hoặc bởi thuê bao hoặc bởi nhà khai thác) Nếu không bị cấm gọi ra quá trình thiết lập cuộc gọi được tiến hành Giữa MSC và BSC đường truyền được thiết lập và kênh lưu lượng được chiếm MSC gởi yêu cầu đến BSC để ấn định một kênh lưu lượng cho đường vô tuyến

BSC kiểm tra nếu có kênh lưu lượng rỗi nó ấn định kênh này cho cuộc gọi và yêu cầu BTS kích hoạt kênh này BTS gởi trả lời công nhận khi việc kích hoạt kênh lưu lượng đã hoàn thành BSC thông báo cho MSC về sự hoàn thành này Hệ thống con điều khiển lưu lượng sẽ phân tích các chữ số của số thoại B và thiết lập kết nối đến thuê bao bị gọi Cuộc gọi được nối thông qua chuyển mạch nhóm

Báo chuông sẽ được gởi đến trạm MS cho thấy rằng phía bị gọi đang đổ chuông Tông chuông được tạo ra ở tổng đài phía thuê bao B và được gởi qua chuyển mạch nhóm đến MS Như vậy tông chuông được gởi qua đường vô tuyến chứ không tạo ra ở MS

Khi thuê bao B trả lời mạng gởi bản tin kết nối đến MS thông báo rằng cuộc thoại được chấp nhận MS trả lời bằng công nhận kết nối, như vậy thiết lập cuộc gọi đã hoàn tất

Quá trình thiết lập cuộc gọi khởi xướng từ trạm di động được trình bày ở trên là cho cuộc gọi MOC không có OACSU (Without off Air Call set up: thiết lập sớm) Thiết lập sớm có nghĩa là mạng cấp phát kênh lưu lượng cho MS trước khi nó khởi đầu thiết lập cuộc gọi ở mạng cố định Cũng có thể có tuỳ chọn với OACSU ở giai đoạn sau của GSM Lúc này mạng sẽ quyết định khi nào thì cấp phát kênh lưu lượng Cấp phát được thực hiện ở thời điểm bất kỳ sau khi đã khởi đầu thiết lập cuộc gọi ở mạng cố định Cực điểm nhất là mạng có thể cấp kênh lưu lượng sau khi thuê bao B đã trả lời cuộc gọi

Bản tin báo chuông sẽ được gởi đến MS khi đổ chuông ở phía bị gọi Sự khác nhau ở đây so với trường hợp thiết lập sớm (Without OACSU) là tông báo hiệu chuông được tạo ra ngay ở MS vì kênh lưu lượng vẫn chưa được cấp phát Khi thuê bao trả lời, mạng khởi xướng thủ tục ấn định để cấp phát kênh lưu lượng

Cuộc gọi được định tuyến đến tổng đài GMSC gần nhất (2), đây là một tổng đài

có khả năng hỏi và định lại tuyến Bằng phân tích MSISDN tổng đài GMSC tìm ra HLR nơi MS đăng ký

GMSC hỏi HLR (3) thông tin để có thể quyết định tuyến đến MSC/ VLR đang quản lý MS Bằng MSISDN tìm ra IMSI và bản ghi của thuê bao IMSI là số thuê bao chỉ sử dụng ở trong mạng báo hiệu, địa chỉ của VLR nơi MS đang đăng ký tạm thời được lưu giữ cùng với IMSI trong VLR

HLR giao tiếp với VLR để nhận được số lưu động thuê bao (MSRN: Mobile Subscriber Roaming Number) (4), đây là một số thoại thông thường thuộc tổng đài MSC

VLR gởi MSRN đến HLR, sau đó HLR chuyển số này đến GMSC (5)

Bằng MSRN GMSC có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC tương ứng (6), GMSC gởi bản tin nhận được từ PSTN đến MSC

Hình 12.Cuộc gọi từ mạng cố định kết cuối ở MS (MTC)

Để giảm tối thiểu giá thành, có thể sử dụng PSTN để định tuyến lại cuộc gọi, ở các nước có mạng PSTN đắt hoặc hoạt động không tốt thì tốt nhất là xây dựng một mạng kết nối riêng giữa các MSC và GMSC

MSC biết được vị trí của MS và nó gởi bản tin tìm gọi đến tất cả các BSC đang quản lý vùng định vị này (7) Ở mạng GSM tồn tại hai khả năng hoặc thông tin về các

ô trực thuộc một vùng định vị được lưu giữ ở MSC, hoặc thông tin này được lưu giữ ở BSC.Ở mạng CME 20 chẳng hạn thông tin này được lưu giữ ở BSC

MSC gởi LAI (nhận dạng vùng định vị) xuống các BSC và BSC phân phát bản tin tìm gọi đến các BTS(8)

Để tìm gọi MS, IMSI được sử dụng (9) Có thể sử dụng số nhất dạng tạm thời TMSI để đảm bảo bí mật

Ngay sau khi nhận được bản tin tìm gọi MS gởi yêu cầu kênh báo hiệu MSC có thể thực hiện nhận thực và khởi đầu mật mã hoá như đã xét ở phần trên MSC có thể gởi đến MS thông tin về các dịch vụ được yêu cầu: tiếng, số liệu, fax…

Bây giờ BSC sẽ lệnh cho BTS kích hoạt kênh TCH và giải phóng kênh báo hiệu, báo chuông được gởi đi từ MS cho thấy rằng tông chuông được tạo ra ở MS Tông chuông cho thuê bao chủ gọi được tạo ra ở MSC

Khi thuê bao di động nhấc máy MS gởi bản tin kết nối Mạng hoàn thành đường nối thông và gởi bản tin công nhận kết nối đến MS

2.3.5 CHUYỂN GIAO (HANDOVER)

Chuyển giao là quá trình chuyển đổi BTS phục vụ của MS khi MS này đang ở trong chế độ đàm thoại Khi chuyển giao MS được chuyển từ một kênh TCH này sang một kênh TCH khác

Tổng đài nội hạt

Các loại chuyển giao:

 Chuyển giao giữa các ô thuộc cùng một BSC: Chuyển giao này do BSC

điều hành

 Chuyển giao giữa các ô thuộc hai BSC khác nhau: Chuyển giao này liên quan đến cả hai tổng đài MSC quản lý hai BSC

 Chuyển giao giữa hai ô thuộc hai tổng đài MSC khác nhau: Chuyển giao

này liên quan đến cả hai tổng đài phụ trách các ô nói trên

Trong trường hợp chuyển giao nhiều lần giữa hai ô thuộc hai MSC khác nhau, tổng đài MSC đầu tiên phụ trách MS được gọi là tổng đài quá giang vì cuộc gọi luôn luôn được chuyển mạch qua tổng đài này Lần chuyển giao giữa hai ô thuộc hai tổng đài khác nhau thứ nhất được gọi là chuyển giao giữa các ô thuộc hai tổng đài lần đầu, còn các lần sau được gọi là chuyển giao giữa các ô thuộc hai tổng đài tiếp theo

Các điều kiện xảy ra chuyển giao :

 Khi MS đang đàm thoại nhưng di chuyển từ vùng phủ sóng của BTS này sang vùng phủ sóng của BTS khác Khi đó cường độ trường của BTS phục vụ giảm dẫn, cường độ trường của BTS kế can tăng dẫn Nếu MS tiếp tục di chuyển theo hướng ngày thì đến một thời điểm nào đó thì cường độ của BTS phục vụ không đủ để hoạt động Do đó muốn tiếp tục đàm thoại thì phải chuyển

giao sang BTS kế cận

 Khi MS di chuyển nhưng nó đang ở trong vùng phủ sóng là giao của 2 BTS Lúc đó, nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho chỉ số bit lỗi trên BTS đang phục vụ tăng lên thì hệ thống cũng thực hiện chuyển giao sang BTS mới

để cải thiện chất lượng Chuyển giao này gọi là chuyển giao chất lượng

 Khi MS không di chuyển nhưng nó đang ở trong vùng phủ sóng là giao của hai BTS Lúc đó nếu lưu lượng trên BTS đang phục vụ đã bão hoà hoặc sắp bão hoà thì hệ thống cũng thực hiện chuyển giao một số MS sang BTS mới để cho BTS này có thể phục vụ được cho các MS mới Chuyển giao này gọi là

chuyển giao lưu lượng

2.4 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP CUỘC GỌI TRONG MẠNG GSM

2.4.1 TRẠM DI DỘNG MS THỰC HIỆN CUỘC GỌI

MS yêu cầu ấn định kênh:

Sau khi thực hiện việc quay số, MS yêu cầu được ấn định kênh trên kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH Nhất được yêu cầu này trạm thu phát gốc BTS sẽ giải mã bản tin Phần mềm của trạm gốc BSS ấn định kênh SDCCH với bản tin ấn định kênh tức thời gởi trên kênh cho phép truy nhập AGCH

MS trả lời:

MS trả lời bản tin ấn định kênh tức thời và chuyển tới ấn định kênh SDCCH Trên kênh SDCCH, MS sẽ truyền đi các bản tin SABM ( Set Asynchronous Balance Mode – Kiểu cân bằng không đồng bộ tổ hợp ) Bên trong bản tin SABM bao gồm các chỉ thị yêu cầu các dịch vụ khác nhau như bản tin yêu cầu thực hiện cuộc gọi hay cập nhật vị trí Các bản tin này sẽ được xử lý tại trạm gốc BSS và được chuyển tới trung tâm chuyển mạch MSC thông qua giao diện A

Yêu cầu nhận thực:

Sau khi nhận được các yêu cầu về dịch vụ, trung tâm chuyển mạch MSC sẽ gởi

đi một yêu cầu nhận thực đối với trạm di động MS Các yêu cầu dịch vụ sẽ được gởi tới trạm gốc BSS thông qua đường báo hiệu Trạm thu phát gốc BTS sẽ làm nhiệm vụ truyền các yêu cầu này tới MS trên kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH

MS trả lời nhận thực:

Trạm di động MS trả lời yêu cầu nhận thực bằng một đáp ứng nhận thực Đáp ứng trả lời nhận thực của MS sẽ được trạm thu phát gốc BTS chuyển tới trung tâm chuyển mạch BSC trên đường báo hiệu vô tuyến

Yêu cầu mã hóa:

Sau quá trình nhận thực được hoàn thành (quá trình nhận thực được thực hiện với các thuật toán và khoá bảo mật dùng trong GSM là A3, A4, A8 và Ki), MSC sẽ gởi đến BSC một lệnh yêu cầu mã hoá quá trình trao đổi thông tin giữa MS và MSC ( Ciphering Mode – Chế độ mã hoá ) Quá trình này được thiết lập hay thống là phụ thuộc vào BSC và MSC thiết lập chế độ mã hoá Ciphering Mode là ON hay OFF Nếu chế độ mã hoá là ON thì thuật toán A5.2 và Kc được sử dụng

Hoàn thành quá trình mã hoá:

MS trả lời hoàn thành quá trình mã hoá bằng cách gửi bản tin thực hiện xong quá trình mã hoá ( Ciphering Mode Complete)

MS thiết lập cuộc gọi:

Trạm di động MS gửi bản tin thiết lập cuộc gọi trên kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH, nó gửi tới tổng đài di động MSC dịch vụ yêu cầu thiết lập cuộc gọi

Yêu cầu ấn định kênh lưu lượng:

Sau khi tổng đài MSC nhận được bản tin yêu cầu thiết lập cuộc gọi, MSC sẽ gửi lại hệ thống BSS bản tin ấn định kênh lưu lượng Bản tin này chỉ thị loại kênh lưu

lượng sẽ được yêu cầu là kênh bán tốc ( half rate ) hay toàn tốc ( full rate ) hoặc truyền

số liệu (data) Trạm thu phát gốc BTS sẽ chỉ định và ấn định cho MS một kênh lưu lượng TCH bằng cách gửi một lệnh ấn định trên kênh SDCCH

MS hoàn thành việc ấn định kênh lưu lượng TCH:

Để đáp ứng lệnh ấn định kênh, MS chiếm lấy kênh TCH và đồng thời gửi bản tin hoàn thành việc ấn định kênh trên kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH

di động MSC và cuộc gọi được thực hiện

2.4.2 MS NHẬN CUỘC GỌI

Nhắn tin tìm gọi:

Khi thuê bao được tìm gọi thì tổng đài di động MSC sẽ gửi một bản tin “ yêu cầu nhắn tin “ ( Paging Request ) đến hệ thống điều khiển trạm gốc BSC BSC sẽ xử lý bản tin này và truyền chúng trên kênh nhắn tin PCH

Thuê bao trả lời:

Sau khi thu được bản tin Paging Request, trạm di động MS trả lời bằng cách gửi bản tin yêu cầu kênh trên kênh truy nhập ngẫu nhiên RACCH

An định kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH:

Nhận được bản tin ấn định kênh, BSS sẽ xử lý bản tin và ngay lập tức ấn định một kênh SDCCH Việc ấn định này sẽ được mã hoá và truyền trên kênh cho phép truy nhập AGCH Trạm di động MS được ấn định một kênh SDCCH và truyền một bản tin kiểu cân bằng không đồng bộ tổ hợp SABM trả lời nhắn tin Mạng sẽ trả lời trên đường lên (Uplink ) để thiết lập kết nối vô tuyến lớp thứ hai Sau khi được xử lý tại phần BSS, bản tin trả lời tìm gọi sẽ được gửi tới MSC

Yêu cầu nhận thực:

Sau khi nhận được bản tin trả lời tìm gọi, tổng đài di động MSC sẽ gửi tới một yêu cầu nhận thực đối với trạm di động MS Yêu cầu nhận thực được gửi tới trạm gốc BSS thông qua đường báo hiệu Trạm thu phát gốc BTS sẽ làm nhiệm vụ truyền các yêu cầu này tới trạm di động MS trên kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH

MS trả lời nhận thực:

MS trả lời yêu cầu nhận thực bằng một đáp ứng nhận thực Đáp ứng trả lời nhận thực của MS sẽ được BTS chuyển tới BSC trên đường báo hiệu vô tuyến

Yêu cầu mã hoá:

Quá trình nhận thực được hoàn thành ( được thực hiện với thuật toán và mã khoá dùng trong GSM là A3, A4, A8 và Ki ), MSC sẽ gửi đến BSC một lệnh yêu cầu

mã hoá ( Ciphering Mode ) quá trình trao đổi thông tin giữa MS và MSC Quá trình này được thiết lập hay không là phụ thuộc vào chế độ mã hoá do BSC và MSC thiết lập ON hay OFF Nếu chế độ mã hoá là ON thì thuật toán A5.2 và Kc được sử dụng

Hoàn thành quá trình mã hoá:

MS trả lời hoàn thành quá trình mã hoá bằng cách gửi bản tin “ Hoàn thành chế độ mã hoá “ ( Ciphering Mode Complete )

An định kênh:

Khi nhận được bản tin xác nhận, tổng đài di động MSC gửi một bản tin ấn định kênh Hệ thống trạm gốc BSS nhận được bản tin này ấn định kênh lưu lượng TCH và gửi bản tin ấn định kênh tới trạm di động MS trên kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH

Hoàn thành ấn định kênh:

Trạm di động MS chiếm lấy kênh TCH và gửi bản tin hoàn thành việc ấn định kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH ( đây là một kênh logic trên kênh TCH ) Hệ thống trạm gốc BSS nhận bản tin này và gửi nó đến tổng đài di động MSC

Thiết lập cuộc gọi thành công:

Kết nối cuộc gọi được thiết lập và cuộc thoại được tiến hành