Mô hình hệ thống thông tin di động

Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang chơng mô hình hệ thống thông tin di động 1.1 Mô hình chung hệ thống thông tin di động GSM Hệ thống thông tin di động GSM gồm phân hệ chuyển mạch SS ( Swiching Subsystem) phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) phân hệ khai thác hỗ trợ OSS (Operation and Support Subsystem) SS ISDN AUC PSTN GMSC VLR HLR EIR CSPDN OSS MSC PSPDN PLMN BSS BSC KÕt nèi cc gäi vµ trun dÉn tin tøc BTS Truyền dẫn tin tức Hình 1.1 Mô hình hệ thốngMS GSM MS Mobile Station Trạm di động BSS Base Station System HƯ thèng tr¹m gèc SS Switching System HƯ thèng chun m¹ch OSS Operation and Support System HƯ thèng khai thác hỗ trợ BTS Base Transcver Station Trạm thu phát gốc BSC Base Station Controller Phần điều khiển trạm gốc MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch VLR Visting Located Register Thanh ghi định vị tạm trú HLR Home Located Register Thanh ghi định vị thờng trú AUC AUthentication Centre Trung t©m nhËn thùc PSTN Public Service Telephone Network Mạng điện thoại phục vụ công cộng PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất PSPDN Packet Switching Public Data Network M¹ng sè liƯu céng chun m¹ch gói SVTH: Phạm Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang Trong BSS, điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller) ®iỊu khiĨn mét nhãm BTS vỊ chức nh chuyển giao điều khiển công suất Trong SS, trung tâm chuyển mạch PLMN, gọi tắt tổng đài di động MSC (Mobile Services Center), phục vụ nhiều BSC, hình thành cấp quản lý l·nh thỉ gäi lµ vïng phơc vơ MSC, bao gåm nhiều vùng định vị Vùng phục vụ GSM (tất nớc thành viên) Vùng phục vụ PLMN (một hay nhiều vùng nớc) Vùng phục vụ MSC (đợc ®iỊu khiĨn bëi mét MSC) Vïng ®Þnh vÞ (vïng ®Þnh vị tìm gọi) Cell (ô) (Vùng có trạm gốc riêng) Hình 2.2 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng di động GSM 1.1.1 Trạm di động MS Trạm di động phơng tiện để ngời dùng tiếp cận với mạng Nó đợc trang bị phơng tiện giao thông, thiết bị xách tay hay cầm tay Nhng nói chung phải có đầy đủ tính MS, là: + Xử lý truy nhập mạng qua giao tiếp vô tuyến + Các giao tiếp với ngời dùng (chẳng hạn Micophone, loa, hình, bàn phím cho quản lý gọi) cho quản lý gọi) + Các giao tiếp với thiết bị đầu cuối (có thể có) nh máy tính cá nhân, máy Fax Sự lựa chọn thực nhà sản xuất nhng phải tạo mạch tổ hỵp theo mét sè giao tiÕp chn Nãi chung mét MS thực đợc nhiều chức - Hiển thị số bị gọi - Hiển thị tín hiệu trình gọi - Chọn mạng PLMN - Giao tiếp đầu cuối ISDN - Chỉ thị xác nhận thông tin ngắn - cho quản lý gọi) SVTH: Phạm Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang Nhng vấn đề quan trọng làm để phân biệt thuê bao với cung nh quản lý thuê bao Một thiết bị mà rút cắm đợc vào MS đảm nhiệm chức hay gọi SIM (Subcriber Indentify Modul) Đây Modul riêng đợc tiêu chuẩn hoá hệ thống GSM SIM đảm nhiệm chức sau nằm khai thác mạng GSM: - Lu trữ thông tin bảo mật liên quan đến thuê bao (IMSI: International Mobile Subcriber Indentify), thực chế nhận thực tạo khoá mật mà - Khai thác quản lý số nhận dạng cá nhân PIN (Persond Indentify Number) Đây số từ chữ số đợc nạp hoạt động dịch vụ nhà khai thác đăng ký lần đầu SIM sử dụng mật PIN để bảo vệ quyền sử dụng ngời sở hữu hợp pháp Do SIM phải có nhớ không mÊt th«ng tin cho mét sè khèi th«ng tin nh: - Số Seri số nhà sản xuất, số SIM - Trạng thái SIM (đợc khai thác hay không) - Khoá nhận thực Ki - IMSI: Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế - Khoá mật mÃ, tr×nh tù mËt m· - TMSI (Tempetory Mobile Suberiber Indentifer) số nhận dạng thuê bao di động tạm thời - Loại điều khiển thâm nhập thuê bao - PIN Khi SIM đợc đa vào máy di động đợc phép khai thác giúp cho thiết bị di động (ME) thực đợc chức mà hoá, mật mà hoá cho quản lý gọi) 1.1.2 Hệ thống trạm gốc BSS BSS hệ thống thiết bị đặc thù riêng cho tính chất tổ ong v« tun cđa GSM BSS giao diƯn trùc tiÕp víi trạm di động (MS) thông qua giao diện vô tuyến Vì gồm thiết bị phát thu đờng truyền vô tuyến quản lý chức Mặt khác BSS thực giao diện với tổng đài SS Tóm lại BSS thực đấu nối MS với tổng đài nhờ đấu nối ngời sử dụng trạm di động với ngời sử dụng trạm viễn thông khác BSS phải đợc điều khiển, đợc đấu nối với OSS, chức BSS nh sau: - BSS thực việc giám sát đờng ghép nối vô tuyến, liên kết kênh vô tuyến với máy phát quản lý cấu hình kênh SVTH: Phạm Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang - Điều khiển việc thay đổi tần số vô tuyến đờng ghép nối thay đổi công suất phát vô tuyến - Thực mà hoá kênh tín hiệu thoại số, phối hợp với tốc độ truyền thông tin - Quản lý trình Handover - Thực bảo mật kênh vô tuyến Hệ thống BSS gồm hai phần: - Bộ điều khiển vô tuyến BSC - Một hay nhiều trạm thu phát gốc BTS Nếu khoảng cách BSC BTS nhỏ 10m, kênh thông tin nối trực tiếp (chế độ combine) Nếu khoảng cách lớn thông tin phải qua mét giao diƯn A – bit (chÕ ®é Remote) Mét BSC quản lý nhiều BTS theo cấu hình hỗn hợp hai kiểu 1.1.2.1 Cấu trúc BSS BSS phân hệ mà cho phép MS thâm nhập tới SS BSS bao gồm nhiều BTS đợc giám sát BSC BSS đợc giới hạn hai giao diện - Air interface giao diện MS BTS - A interface giao diện BSC MSC (Giao diện BTS vµ BSC lµ giao diƯn Abis interface)   OSS BTS1 BTS2  BSC BTS2 A - interface A bis - interface Air interfece SVTH: Phạm MSC Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang Hình 1.3 Cấu trúc BSS 1.1.2.2 Trạm thu phát gốc BTS Các chức BTS - Chỉ kênh bị khoá gửi tới BSC, BSC sử dụng thông tin để định kênh vô tuyến - Chèn kênh vật lý số liệu kênh logic nhận đợc từ BSC - Thực thuật toán nhảy tần - Điều khiển công suất với giám sát BSC - Tính toán TA (Timing Advance) Trạm gốc nhận đợc từ trạm di động TA kênh điều khiển liên kết chậm SACCH - Phát lại BSC dẫn nguồn vô tuyến ( mức độ nghẽn, nhiễu ) - Bảo mật sau nhận đợc mà khoá ban đầu BSC - Mà hoá giải mà hoá - Các số liệu tiền sử lý BTS, trờng hợp tin BTS – BSC nhá Cơ thĨ nh sau: - Qu¶ng bá thông tin hệ thống: BTS chịu trách nhiệm quảng bá tất thông tin BSC điều khiển theo định kỳ kênh quảng bá BCCH - Tìm gọi: nhận dạng trạm di động đợc xác định từ BSC đợc gửi kênh CCCH - Yêu cầu kênh từ MSC báo cáo chúng tới BSC ấn định kênh DCCH cho báo hiệu MSC MS Sau MS đợc ấn định kênh TCH cho thông tin tiếng số liệu - ấn định tức thời: BTS phát lệnh CCCH từ BSC đến MS sử dụng kênh cell - Đa vào huỷ kênh hoạt động: BSC lệnh cho BTS đa vào kênh hoạt động hay huỷ kênh hoạt động - Tìm kiếm chuyển giao: kênh đợc phát cho chuyển giao BTS thực thâm nhập kênh ngẫu nhiên - Chuyển đổi mà hoá thoại đợc thực 64kbit/s 13kbit/s - Ghép kênh đờng vô tuyến: kênh lô gíc đựơc ghép chung kênh vật lý - Mà hoá ghép xen kênh: luồng bít đợc ghép chung kênh vật lý - Mà hoá giải mÃ: tiếng nói đợc mà hoá giải mà mật mà SVTH: Phạm Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang - Do chất lợng: thực việc đo chất lợng cờng độ trờng tín hiệu tất kênh hoạt động đờng lên, phép đo thực thời gian hoạt động kênh - Đồng thời gian: tín hiệu phát từ BTS, để bù trừ thời gian trễ gây đờng truyền, BTS liên tục phải giám sát xa đồng thời gian - Điều khiển công suất TRX MS - Phát sóng thu sóng từ xa tới MS - Điều khiển TRX - Đồng - Điều khiển, bảo dỡng chỗ - Quản lý đờng báo hiệu - Giám sát kiểm tra chức 1.1.2 Điều khiển trạm gốc BSC BSC phần thiết bị đợc nối bên với số BTS bên với MSC Trên thực tế BSC chuyển mạch nhỏ có chức vi tính hoá cao chức là: * Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến quản lý ô kênh lô gíc chúng Các số liệu quản lý đợc đa BSC để đo đạc xử lý chẳng hạn nh lu lợng thông tin ô, môi trờng vô tuyến, số lợng gọi bị mất, BSC phải thiết kế cho dễ dàng tổ chức lại cấu hình để quản lý đợc số kênh vô tuyến ngày tăng tăng đợc hiệu sử dụng lu lợng vô tuyến cho phép * Quản lý trạm vô tuyến gốc Trớc đa vào khai thác BSC lập cấu hình trạm thu phát (TRX) tần số cho trạm BTS Nhờ việc quản lý mà BSC có tập hợp kênh sẵn có dành cho điều khiển nối thông gọi * Điều khiển nối thông máy di động BSC chịu trách nhiệm thiết lập giải phóng đấu nối tới máy di động Trong trình gọi, đấu nối đợc BSC quan sát Cờng độ tín hiệu chất lợng tiếng đợc đo máy di động thu phát đợc gửi đến BSC Nhờ thuật toán BSC định công suất phát tốt MS TRX để giảm nhiễu mạng tăng cờng chất lợng nối thông BSC điều khiển trình chuyển giao nhờ kết đo kể máy chuyển sang ô khác tốt Sự chuyển giao chuyển nối thông sang kênh khác Trong trờng hợp sang ô BSC khác quản lý SVTH: Phạm Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang phải nhờ giúp đỡ MSC Bên cạnh BSC điều khiển chuyển giao kênh nối thông cell sang kênh ô khác trờng hợp ô bị ứ nghẽn nhiều chất lợng kênh cho phép * Quản lý mạng truyền dẫn BSC trách nhiệm điều khiển gọi nh quản lý di động, trách nhiệm SS, nhiên BSC quản lý đờng truyền dẫn từ BTS đến MSC để đảm bảo cho thông tin xác Do phải lập cấu hình để giám sát luồng thông tin đến MSC BTS Trong trờng hợp có cố kênh điều khiển để chuyển mạch tới đờng dự phòng * Dung lợng BSC Toàn dung lợng BSC có kích cỡ dung lợng tuỳ thuộc vào lu lợng ứng dụng khác Cấu hình cực đại BSC phục vụ tới 512 trạm thu/ phát gốc 256 cell, có nghĩa phục vụ khoảng 100.000 thuê bao Tuy nhiên thiết kế mạng thực tế không nên cài đặt giới hạn dung lợng xử lý nhằm tránh việc tải cđa bé xư lý * CÊu h×nh cđa BSC Nã bao gồm thiết bị vô tuyến, thiết bị điều khiển thiết bị truyền dẫn, BSC quản lý nguồn vô tuýên tham số vô tuyến Theo quan điểm truyền dẫn BSC thực chức tập trung có nhiều BTS nối đến Để tạo hiệu sử dụng phi tần vô tuyến sẵn có, tốc độ tiếng thoại đợc giữ mức thấp (16 kbit/s) Việc chuyển đổi mà hoá tiếng 64 kbit/s luật A 16 kbit/s GSM đợc cung cấp bëi TCMS (Trasncoder Submultipleer) gi¶m sè khe thêi gian 64 kbit/s cách kết hợp bốn kênh 16 kbit/s vào mét khe thêi gian 64 kbit/s Cã thÓ cã hai cấu hình BTS BSC Trong cấu hình kết hợp, BTS BSC đặt vị trí Trong cấu hình xa BTS BSC đặt vị trí khác Trong trờng hợp kết hợp BTS BSC đợc nối với qua giao tiếp bên chuyên dụng Trong trờng hợp cấu hình xa BTS BSC đợc nối với qua BIE 1.1.3 Hệ thống chuyển mạch SS SS bao gồm chức chuyển mạch GSM nh sở liệu cho quản lý thuê bao quản lý di động Vai trò SS quản lý trao đổi thông tin ngời dùng GSM với ngời dùng mạng viễn thông khác SVTH: Phạm Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang 1.1.3.1 Trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động MSC Đây hạt nhân mạng di động PLMN, làm nhiệm vụ định tuyến kết nối phần tử mạng, thuê bao di động với nhay hay thuê bao di động với thuê bao cố định mạng PSTN ISDN Các liệu liên quan đến thuê bao di động ®ỵc cung cÊp tõ HLR, VLR, AUC, EIR, cịng tõ khối báo hiệu cần thiết đợc phát giao diện ngoại vi mạng chuyển mạch, MSC có giao diện với tất phần tử mạng (BSS/HLR/VLR/AUC/EIR/OMC) với mạng cố định PSTN hay ISDN MSC cung cấp dịch vụ mạng cho thuê bao Ngoài MSC chứa liệu thực trình Handover 1.1.3.2 Bộ ghi định vị tạm trú HLR HLR sở liệu trung tâm quan trọng hệ thống GSM, lu giữ số liệu thuê bao đăng ký mạng thực số chức riêng mạng thông tin di động Trong sở liệu lu trữ số liệu trạng thái thuê bao, quyền thâm nhập thuê bao, dịch vụ mà thuê bao đăng ký, số liệu động vùng mà chứa thuê bao ( Roaming) Trong HLR tạo báo hiệu số giao diện với mạch nhng có khả quản lý hàng trăm ngàn thuê bao 1.1.3.3 Bộ ghi định vị tạm thời VLR Đợc kết hợp phần cứng MSC Trong VLR chứa tất thông tin tất thuê bao di ®éng ®ang n»m vïng phđ sãng cđa MSC này, gán cho thuê bao từ vùng phục vụ MSC/VLR khác tới thuê bao tạm thời VLR thực trao đổi thông tin thuê bao roaming với HLR nơi thuê bao đăng ký 1.1.3.4 Trung tâm nhận thực AUC Là phận phần cøng cđa HLR Trong hƯ thèng GSM cã nhiỊu hƯ thống an toàn khác đợc dùng để tránh sử dụng trái phép, cho phép bám ghi lại gọi Đờng vô tuyến đợc AUC cung cấp mà bảo mật chống nghe trộm, mà đợc thay đổi riêng biệt cho thuê bao, sơ sở liệu AUC ghi nhiều thông tin cần thiết khác thuê bao phải đợc bảo vệ chống thâm nhập trái phép 1.1.3.5 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR Bảo vệ mạng PLMN khỏi thâm nhập thuê bao trái phép, cách so sánh số IMEI thuê bao gửi tới thiết lập thông tin với số IMEI lu trữ EIR Nếu không tơng xứng thuê bao truy nhập đợc 1.1.3.6 Trung tâm vận hành bảo dỡng OMC SVTH: Phạm Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang Mọi phần tử mạng khối đợc điều khiển (vận hành, bảo dỡng) từ trung tâm Nh OMC đợc nối với tất phần tử mạng qua mạng chuyển mạch 1.1 Hệ thống vận hành bảo dỡng OSS Để đa hệ thống GSM vào khai thức quản lý cần có hệ thống OSS Nhiệm vụ phối hợp hoạt động số tất phần BSS SS, can thiệp vào phần BSS SS qua thiết bị đầu cuối Chẳng hạn việc quản lý thuê bao đợc làm cách đa vào số liệu thuê bao thiết bị đầu cuối đợc nối với HLR Trong khứ việc lắp đặt thiết bị đầu cuối đợc thực riêng biệt thành phần, nhng ngày nhờ có phát triển công nghệ nh để đáp ứng hệ thống thông tin phức tạp yêu cầu chất lợng thông tin ngày cao trung tâm vận hành bảo dỡng đời gọi mạng quản lý viễn thông TMN Mạng đợc nối bên với thành phần mạng thông tin (MSC, BSC, HLR) , bên đợc nối với thiết bị có giao diện với ngời Nhiệm vụ OSS quản lý số liệu thuê bao, qua việc đăng ký hay bÃi bỏ thuê bao đợc thực HLR 1.2 Các số nhận dạng mạng GSM 1.2.1 Kế hoạch đánh số Toàn mạng GSM/PLMN đợc chia thành vùng theo kế hoạch đánh số Trong vùng tiếp cận thuê bao cách quay số thuê bao (SN) Mọi thuê bao thuộc mạng GSM/PLMN đợc đăng ký ghi định vị thờng trú (HLR) Phụ thuộc vào kế hoạch lập mạng, số HLR lớn 1, nghĩa phân chia mạng mức HLR vùng đánh số khác Có thể tách riêng kế hoạch đánh số cho mạng GSM/PLMN b»ng mét m· trung kÕ, m· n¬i nhËn nớc (NDC) riêng hay kết hợp chung vào kế hoạch đánh số mạng điện thoại công cộng đến mức hợp lý 1.2.2 Số ISDN máy di động (MSíDN) MSISDN số nhận dạng thuê bao kế hoạch đánh số mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Theo ứng dụng khuyến nghị CCITT (E164) độ dài MSISDN thay đổi tuỳ theo quốc gia, nhà khai thác nhng tối đa không vợt 15 chữ số ( không kể tiếp đầu nh 00, 01 cho quản lý gọi).) Trong quốc gia số SVTH: Phạm Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Văn Khang thuê bao di động thờng đợc cấu tạo tơng ứng với sơ đồ đánh số m¹ng PSTN MSISDN = CC + NDC + SN Trong ®ã: CC: m· qc gia ®Ĩ nhËn d¹ng níc nhËn NDC: mà vùng nhận nớc để xác định vùng (2 chữ số) SN: số thuê bao để nhận dạng thuê bao ( chữ số) 1.2.3 Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI) IMSI số nhận dạng riêng thuê bao mạng GSM/PLMN Nhận dạng đợc lu modul nhận dạng thuê bao SIM nh ghi định vị thờng trú HLR đăng ký hệ thống ghi định vị tạm trú VLR đăng ký tạm thời IMSI = MCC + MCN + MSIN Trong ®ã: MNC: m· quèc gia mạng di động (3 chữ số) để nhận dạng quốc gia mạng di động đợc gọi MNC:Mà mạng di động (1 đến chữ số) để nhận dạng mạng di động đợc gọi nớc MSIN: số nhận dạng máy di động (nhiều 11 chữ số) để nhận dạng thuê bao di động mạng GSM/PLMN Trong sở liệu GSM , IMSI địa thông tin liên quan đến thuê bao di động 1.2.4 Số lu động máy di động (MSRN) MSRN số lu động máy di động đợc GMSC sử dụng để định tuyến gọi đến trạm di ®éng HLR biÕt mét thuª bao di ®éng ®ang ë vùng phục vụ MSC/VLR Để cung cấp số tạm thời dùng cho việc định tuyến HLR yêu cầu MSC/VLR thời gán số lu động trạm lu động (MSRN) cho thuê bao bị gọi gửi lại Khi nhận đợc MSRN, HLR gửi đến GMSC, lúc tổng đài hớng gọi đến tổng đài MSC/VLR nơi thuê bao bị gọi đăng ký MSRN = CC + NDC + SN Trong ®ã: CC: m· quèc gia NDC: m· vïng nhËn nớc SVTH: Phạm Thị Hà Lớp 03 Vinh 06 - §TVT