(Tiểu luận) báo cáo kỹ thuật truyền số liệu đề tài hệ thống mạng di động gsm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ⁂ BÁO CÁO KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU ĐỀ TÀI: “Hệ thống mạng di động GSM” GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS Mai Văn Hà SINH VIÊN THỰC HIỆN: Trần Thị Thu Hiền Phạm Mai Phượng Trương Cơng Văn NHĨM – LỚP HỌC PHẦN: Nhóm – 19N15 Đà Nẵng, 11/2021 Hệ thống thơng tin di động GSM MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GSM 1.1 Giới thiệu GSM 1.2 Cấu trúc hệ thống GSM 1.2.1 Trạm di động (MS) 1.2.2 Hệ thống trạm sở phụ (BSS) 1.2.3 Trung tâm chuyển mạch di động (MSC) 1.3 Các vấn đề an ninh GSM 1.3.1 Giới thiệu 1.3.3 Nhận thực 10 1.3.4 Mật hóa .11 1.3.5 Nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI) 12 CHƯƠNG 2: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG GSM .13 2.1 Giới thiệu 13 2.2 Các khu vực mạng GSM 13 2.3 Các băng tần số GSM 13 2.4 Tổ chức kênh cụm hệ thống GSM 15 2.4.1 Kênh vật lý 16 2.4.2 Cấu trúc cụm (Burst) .17 2.4.3 Kênh logic 19 2.4.4 Ánh xạ kênh logic lên kênh vật lý 21 2.4.5 Sử dụng lại tần số 22 2.4.6 Q trình xử lí tín hiệu thoại GSM 26 2.4.7 Điều khiển tài nguyên vô tuyến GSM .32 CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO TRONG GSM .41 3.1 Thực thi chuyển giao 41 3.2 Các loại chuyển giao 42 3.2.1 Chuyển giao BTS 43 3.2.2 Chuyển giao BSC 44 3.2.3 Chuyển giao MSC 45 3.2.4 Chuyển giao MSC 46 Hệ thống thông tin di động GSM DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Cấu trúc hệ thống GSM .6 Hình Q trình nhận thực mật hố GSM 12 Hình Băng tần GSM900 GSM1800 15 Hình Cấu trúc đa khung 26 khung .17 Hình Khoảng cách cell lân cận 23 Hình Khoảng cách sử dụng lại tần số 24 Hình Dùng chung tần số 25 Hình Phát tín hiệu cell .25 Hình Xử lí tín hiệu GSM 26 Hình 10 Đan xen tiếng tồn tốc mức 28 Hình 11 Phản ứng xung 30 Hình 12 Phản ứng tần số 31 Hình 13 Phản ứng xung lọc GMSK 31 Hình 14 Đầu lọc băng gốc 32 Hình 15 Chuyển giao mạng GSM 43 Hình 16 Chuyển giao BTS 44 Hình 17 Chuyển giao BSC 44 Hình 18 Chuyển giao MSC 45 Hình 19 Chuyển giao MSC 46 Hệ thống thông tin di động GSM LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa nay, quan trọng việc truyền liệu thông tin di động ngày tăng Hệ thống thơng tin di động tồn cầu (Global System for Mobile Communications, viết tắt: GSM) công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch vụ GSM sử dụng tỷ người 212 quốc gia vùng lãnh thổ Các mạng thông tin di động GSM cho phép roaming với máy điện thoại di động GSM mạng GSM khác sử dụng nhiều nơi giới Thông tin di động cịn cung cấp tính ưu việt chất lượng dịch vụ, tính bảo mật thơng tin, thiết bị nhỏ gọn, linh hoạt việc di chuyển, dịch vụ ngày đa dạng truyền hình di động, truyền video chất lượng cao, kết nối mạng internet với việc phát triển hệ thống thông tin di động lên hệ thống thông tin di động băng rộng (3G) vv GSM chuẩn phổ biến cho điện thoại di động (ĐTDĐ) giới Khả phú sóng rộng khắp nơi chuẩn GSM làm cho trở nên phổ biến giới, cho phép người sử dụng sử dụng ĐTDĐ họ nhiều vùng giới Đứng phía quan điểm khách hàng, lợi GSM chất lượng gọi tốt hơn, giá thành thấp dịch vụ tin nhắn Thuận lợi nhà điều hành mạng khả triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng sẵn sàng dịch vụ khắp nơi, người sử dụng sử dụng điện thoại họ khắp nơi giới Song song tồn phát triển với công nghệ GSM cịn có cơng nghệ khác CDMA (cơng nghệ đa truy cập theo mã) công nghệ tiên tiến đối thủ GSM lính vực công nghệ truyền thông di động, Việt Nam công nghệ nhà khai thác dịch vụ như: S-Fone, Hà Nội Telecom, ETC Công nghệ GSM địi hỏi vốn đầu tư ban đầu tốn CDMA Đây lý CDMA chưa phát triển rộng rãi Việt Nam Bài cáo cáo tìm hiểu hệ thống thơng tin di động toàn cầu (GSM), bao gồm: Hệ thống thơng tin di động GSM • Chương 1: Giới thiệu tổng quan mạng GSM Kiến trúc GSM • Chương 2: Giao diện vơ tuyến GSM • Chương 3: Chuyển giao mạng GSM Giới thiệu loại chuyển giao xảy mạng Phân tích trình chuyển giao Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Mai Văn Hà, người nhiệt tình hướng dẫn, bảo, cung cấp nhiều tài liệu giúp chúng em củng cố thêm kiến thức tới hoàn thành báo cáo Hệ thống thông tin di động GSM CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GSM Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) giới đời châu Âu có tên GSM Ban đầu hệ thống gọi “nhóm đặc trách di động” (Group Special Mobile) theo tên gọi nhóm CEPT cử nghiên cứu tiêu chuẩn Sau để tiện cho việc thương mại hố GSM gọi hệ thống thơng tin di động toàn cầu “Global System for Mobile communication” 1.1 Giới thiệu GSM Năm 1982, quan quản lí viễn thơng châu Âu (CEPT) thành lập nhóm đặc trách di động (Groupe Special Mobile - GSM) với nhiệm vụ tìm hệ thống vơ tuyến tế bào toàn châu Âu hoạt động dải 900 MHz Hệ thống hình thành để khắc phục hạn chế thấy rõ dung lượng hệ thống tương tự triển khai số nước châu Âu (ví dụ NMT nước Bắc Âu) Tiêu chuẩn tế bào toàn châu Âu phải hỗ trợ lưu động (roaming) quốc tế tạo đà phát triển cho ngành công nghiệp viễn thông châu Âu Sau thảo luận ban đầu, ba nhóm làm việc (WP) thành lập để xử lí cơng việc cụ thể việc xác định hệ thống, sau nhóm thứ thành lập tiếp Năm 1986 phận thường trực lập Pari để phối hợp hoạt động nhóm làm việc quản lí việc tạo khuyến nghị hệ thống Các WP yêu cầu xác định giao diện hệ thống cho máy di động, dù dạng cầm tay hay lắp xe, lưu động qua nước có triển khai hệ thống truy cập tất dịch vụ So với hệ thống tương tự có, hệ thống phải có dung lượng cao hơn, chi phí vận hành thấp chất lượng tiếng nói phải tốt Dải tần chung toàn châu Âu cho hệ thống 890-915 MHz 935-960 MHz Trong năm 1987 kết thử nghiệm đánh giá thảo luận cuối đạt thỏa thuận đặc trưng chủ yếu hệ thống Đến tháng 6/1987 định chọn TDMA dải hẹp, với kênh sóng mang (có thể mở rộng đến 16 kênh/sóng mang) Mã hóa tiếng nói chọn loại RPELPC (dự đốn tuyến tính kích thích xung đều) với tốc độ bit 13 kb/s Mã kênh chọn mã xoắn, kiểu điều chế chọn GMSK nhờ hiệu phổ cao Hệ thống thông tin di động GSM Ở Việt Nam, GSM đưa vào sử dụng từ năm 1993 Hiện nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn như: Vinaphone, MobiFone, Viettel sử dụng công nghệ GSM 1.2 Cấu trúc hệ thống GSM Hình Cấu trúc hệ thống GSM Một mạng GSM bao gồm số thực thể chức năng, có chức giao diện xác định.Các mạng GSM chia thành ba phần lớn mơ tả Như thấy từ hình vẽ, MS BS truyền thơng qua giao diện Um, cịn gọi giao diện không gian liên kết radio Các BSS giao tiếp với MSC qua giao diện A Hệ thống GSM bao gồm hệ thống bản: hệ thống chuyển mạch SS, hệ thống trạm gốc BSS trạm di động MS Mổi hệ thống chứa số chức khác như: chuyển mạch, quản lý nhận dạng thiết bị, tính cước vv tạo nên hệ thống mạng di động liên kết 1.2.1 Trạm di động (MS) MS thuê bao, thiết bị mà người dùng sử dụng để thông tin với (điện thoại di động, máy fax,…) MS bao gồm thiết bị đầu cuối (TE) thẻ thông minh gọi Subscriber Identity Module (SIM) Hệ thống thông tin di động GSM SIM: thẻ thơng minh có kích thước thẻ tín dụng nhỏ hơn, thuê bao sử dụng để “cá nhân hóa” ME SIM cung cấp di động cá nhân, để người dùng tiếp cận với dịch vụ thuê bao không phân biệt thiết bị đầu cuối cụ thể Ngoài ra, thẻ SIM nơi thực tế mà mạng GSM tìm thấy số điện thoại người sử dụng Như vậy, cách chèn thẻ SIM vào thiết bị đầu cuối GSM, người dùng sử dụng thiết bị đầu cuối để nhận gọi, thực gọi dịch vụ người dùng đăng ký khác sử dụng số điện thoại SIM có vùng nhớ cố định để nhớ thông tin liên quan đến thuê bao (gồm IMSI) Số dùng để nhận dạng thuê bao mạng GSM dài không 15 chữ số thập phân Ba chữ số mã nước di động (NMC), dùng để nhận dạng nước mà thuê bao đăng kí Hai chữ số mã mạng di động (MNC) dùng để nhận dạng mạng PLMN thường trú thuê bao nước Các chữ số lại IMSI số nhận dạng thuê bao di động (MSIN) dùng để xác định thuê bao mạng PLMN Ngồi ra, SIM cịn chứa chìa khóa nhận dạng mật th bao, Ki, thuật tốn nhận dạng A3 thuật tốn tạo chìa khóa mật mã A8 Tất khoản (bắt buộc phải có) lưu SIM bảo vệ chặt chẽ Ngồi SIM cịn chứa số chức tùy chọn khác quay số tắt, danh bạ v.v Cũng nhờ có SIM mà thuê bao dễ dàng thay đổi ME khác nhau, ví phải sửa chữa ME Các thiết bị đầu cuối GSM thực tế xác định số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI) Các thẻ SIM chứa số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI) sử dụng để xác định th bao vào hệ thống, chìa khóa bí mật để xác thực, thông tin khác IMEI IMSI độc lập với nhau, cho phép di động cá nhân Ngoài ra, thẻ SIM bảo vệ chống sử dụng trái phép mật số nhận dạng cá nhân 1.2.2 Hệ thống trạm sở phụ (BSS) MS liên lạc với trạm thu phát gốc (BTS) qua giao diện vô tuyến Um BTS thực tất chức thu phát liên quan đến giao diện vô tuyến GSM xử lí tín hiệu mức độ định Về số phương diện coi BTS modem vô tuyến Hệ thống thông tin di động GSM phức tạp nhận tín hiệu vơ tuyến đường lên từ MS biến đổi thành liệu để truyền đến máy khác mạng GSM, nhận liệu từ mạng GSM biến đổi thành tín hiệu vơ tuyến phát đến MS Các BTS tạo nên vùng phủ sóng tế bào, vị trí chúng định dung lượng vùng phủ mạng Tuy nhiên BTS đóng vai trị phụ việc phân phối tài nguyên vô tuyến cho MS khác Việc quản lí giao diện vơ tuyến giao cho BSC, với nhiệm vụ là: phân phối kênh vô tuyến cho MS thiết lập gọi, xác định tiến hành chuyển giao HO, nhận dạng BTS đích phù hợp điều khiển công suất phát MS cho vừa đủ để tới BTS phục vụ Các BSC thay đổi theo nhà sản xuất, song thường BSC có thểđiều khiển tới 40 BTS Ngồi khả sử lí, BSC cịn có khả chuyển mạch (hạn chế), cho phép định tuyến gọi BTS khác thuộc quyền kiểm sốt Giao diện BSC BTS liên quan gọi giao diện A-bis Tập hợp BTS BSC gọi hệ thống trạm gốc (BSS) BSS có chứa phần cứng phần mềm cần thiết để kích hoạt kiểm soát liên kết radio với MS Nó bao gồm hai phần, trạm sở (BS) trạm điều khiển (BSC) Các BTS tạo nên vùng phủ sóng tế bào, vị trí chúng định dung lượng vùng phủ mạng Tuy nhiên BTS đóng vai trị phụ việc phân phối tài nguyên vô tuyến cho MS khác Việc quản lí giao diện vơ tuyến giao cho BSC, với nhiệm vụ là: - Phân phối kênh vô tuyến cho MS thiết lập gọi - Xác định tiến hành chuyển giao HO - Nhận dạng BTS đích phù hợp điều khiển công suất phát MS cho vừa đủ để tới BTS phục vụ 1.2.3 Trung tâm chuyển mạch di động (MSC) MSC trung tâm chuyển mạch mạng GSM Nhiệm vụ điều phối việc thiết lập gọi đến người sử dụng mạng thông tin di động mặt giao diện với BSC, mặt khác giao diện với mạng ngồi thơng qua GMSC Để thực việc Hệ thống thông tin di động GSM kết nối MSC với mạng cần phải thích ứng đặc điểm truyền dẫn IWF thiết bị thích ứng giao thức truyền dẫn sẻ làm việc Mỗi BSS nối với MSC MSC đảm bảo việc định tuyến gọi đến/đi từ MS Nó có khả chuyển mạch lớn, thơng thường MSC điều khiển vài chục BSC với dung lượng vài chục nghìn thuê bao MSC tương tự tổng đài mạng cố định, song cịn có thêm chức quản lí di động thuê bao (đăng kí vị trí HO) Đặc tả GSM sử dụng thuật ngữ vùng MSC để mô tả phần mạng bao phủ MSC BSC, BTS liên quan Giao diện MSC BSS gọi giao diện A, hoàn toàn xác định đặc tả Vì thế, nhà khai thác mạng tự lựa chọn MSC BSS từ nhà sản xuất khác Giao diện MSC khác gọi giao diện E Nhà khai thác lựa chọn vài MSC để dùng làm MSC cửa ngõ (GMSC) GMSC cung cấp giao diện PLMN mạng ngồi Khi có gọi đến từ mạng ngoài, GMSC liên lạc với sở liệu mạng liên quan để bảo đảm gọi định tuyến đến MS thích hợp 1.3 Các vấn đề an ninh GSM 1.3.1 Giới thiệu Các hệ thống hệ NMT, TACS AMPS có đặc điểm an ninh, dẫn đến mức độ hoạt động lừa đảo đáng kể làm hại thuê bao nhà khai thác mạng Hệ thống GSM có số đặc điểm an ninh thiết kế để bảo đảm cho thuê bao nhà khai thác mạng mức độ bảo vệ tốt chống lại hoạt động lừa đảo Các chế nhận thực bảo đảm thuê bao thẳng sở hữu thiết bị thẳng (không phải bị đánh cắp không tiêu chuẩn) phép truy nhập mạng Sau kết nối thiết lập, thông tin đường vô tuyến mật mã hóa để tránh nghe trộm Mọi riêng tư thuê bao bảo vệ cách đảm bảo chi tiết nhận dạng vị trí thuê bao bảo vệ Điều đạt cách gán cho người dùng số nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI) thay đổi từ gọi đến gọi khác Do đó, khơng cần phát IMSI người dùng giao diện vô tuyến khó nghe trộm để nhận dạng định vị người dùng