Nguyễn Hà Dơng Lớp ĐTVT4 Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp Trong đó: SS : Switching System Hệ thống chuyển mạch AUC : Trung tâm nhận thực VLR : Bộ ghi định vị tạm trú HLR : Bộ ghi định vị thờng trú EIR : Equipment Identified Reader Bộ ghi nhận dạng thiết bị MSC : Mobile Switching Central Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động BSS : Base Station System Hệ thống trạm gốc BTS : Base Television Station Đài vô tuyến gốc BSC : Base Station Control Đài điều khiển trạm gốc MS : Máy di động OSS :Operating and Surveilance System Hệ thống khai thác và giám sát. OMC : Operating and Maintaining Central Trung tâm khai thác và bảo dỡng ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ PSTN : Mạng điện thoại mặt đất công cộng CSPDN : Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng MS : Máy di động Hệ thống GSM đợc chia thành hệ thống chuyển mạch (SS hay NSS) và hệ thống trạm gốc (BSS). Hệ thống đợc thực hiện nh một mạng gồm nhiều ô vô tuyến cạnh nhau để cùng đảm bảo toàn bộ vùng phủ sóng của vùng phục vụ. Mỗi ô có một trạm vô tuyến gốc (BTS) làm việc ở một tập hợp các kênh vô tuyến. Các kênh này khác với các kênh đợc sử dụng ở các ô lân cận để tránh nhiễu giao thoa. Một bộ điều khiển trạm gốc (BSC) điều khiển một nhóm BTS. BSC điều khiển các chức năng nh chuyển giao và điều khiển công suất. Một trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC) điều khiển một số BSC. MSC điều khiển các cuộc gọi đến và từ mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN), mạng di động mặt đất công cộng (PDN) và có thể là các mạng riêng. ở mạng cũng có một số các cơ sở dữ liệu để theo dõi nh : Bộ đăng ký định vị thờng trú (HLR) chứa các thông tin về thuê bao nh các dịch vụ bổ sung, các thông số nhận thực và thông tin về vị trí của MS. 5
NguyÔn Hμ D−¬ng - Líp §TVT4 - Kho¸ 41 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn I :Tæng quan m¹ng th«ng tin di ®éng GSM Ch−¬ng 1 CÊu tróc m¹ng GSM 1.1 Tæng quan m¹ng GSM CÊu h×nh m¹ng GSM : 4 MS SS OSS VLR HLR AUC MSC EIR BSS BSC BTS ISDN PSPDN CSPD PSTN PLMN TruyÒn b¸o TruyÒn l−u l−îng H×nh 1.1 CÊu tróc m¹ng GS M Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp Trong đó: SS : Switching System - Hệ thống chuyển mạch AUC : Trung tâm nhận thực VLR : Bộ ghi định vị tạm trú HLR : Bộ ghi định vị thờng trú EIR : Equipment Identified Reader - Bộ ghi nhận dạng thiết bị MSC : Mobile Switching Central - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động BSS : Base Station System - Hệ thống trạm gốc BTS : Base Television Station - Đi vô tuyến gốc BSC : Base Station Control - Đi điều khiển trạm gốc MS : Máy di động OSS :Operating and Surveilance System - Hệ thống khai thác v giám sát. OMC : Operating and Maintaining Central - Trung tâm khai thác v bảo dỡng ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ PSTN : Mạng điện thoại mặt đất công cộng CSPDN : Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng MS : Máy di động Hệ thống GSM đợc chia thnh hệ thống chuyển mạch (SS hay NSS) v hệ thống trạm gốc (BSS). Hệ thống đợc thực hiện nh một mạng gồm nhiều ô vô tuyến cạnh nhau để cùng đảm bảo ton bộ vùng phủ sóng của vùng phục vụ. Mỗi ô có một trạm vô tuyến gốc (BTS) lm việc ở một tập hợp các kênh vô tuyến. Các kênh ny khác với các kênh đợc sử dụng ở các ô lân cận để tránh nhiễu giao thoa. Một bộ điều khiển trạm gốc (BSC) điều khiển một nhóm BTS. BSC điều khiển các chức năng nh chuyển giao v điều khiển công suất. Một trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC) điều khiển một số BSC. MSC điều khiển các cuộc gọi đến v từ mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN), mạng di động mặt đất công cộng (PDN) v có thể l các mạng riêng. ở mạng cũng có một số các cơ sở dữ liệu để theo dõi nh : Bộ đăng ký định vị thờng trú (HLR) chứa các thông tin về thuê bao nh các dịch vụ bổ sung, các thông số nhận thực v thông tin về vị trí của MS. 5 Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp Trung tâm nhận thực (AUC ) đợc nối đến HLR. Chức năng của AUC l cung cấp cho HLR các thông số nhận thực v các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật. Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) : l một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang phục vụ của vùng MSC. Mỗi MSC có một VLR. Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR) đợc nối với MSC qua một đờng báo hiệu. Nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị. Hệ thống khai thác v hỗ trợ (OSS) đợc nối đến tất cả các thiết bị ở hệ thống chuyển mạch v nối đến BSC. 1.2 Cấu trúc địa lý của mạng Mọi mạng điện thoại đều cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi vo đến tổng đi cần thiết v cuối cùng đến thuê bao bị gọi. Trong mạng di động cấu trúc ny rất quan trọng do tính lu thông của các thuê bao trong mạng. Về mặt địa lý một mạng di động gồm : Vùng mạng. Vùng phục vụ. Vùng định vị. Ô (Cell). 1. Vùng mạng Các đờng truyền giữa mạng GSM/PLMN v mạng PSTN/ISDN khác hay các mạng PLMN khác sẽ ở mức tổng đi trung kế quốc gia hay quốc tế. Trong một mạng GSM/PLMN tất cả các cuộc gọi kết cuối di động đều đợc định tuyến đến một tổng đi vô tuyến cổng (GMSC). GMSC lm việc nh một tổng đi trung kế vo cho GSM/PLMN. Đây l nơi thực hiện chức năng hỏi định tuyến cuộc gọi cho các kết cuối di động. 6 GMSC GMSC_PLMN X X ISDN PLMN Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp 2. Vùng phục vụ : MSC / VLR Vùng phục vụ l bộ phận của mạng đợc một MSC quản lý. Để định tuyến một cuộc gọi đến thuê bao di động, đờng truyền qua mạng sẽ nối đến MSC ở vùng phục vụ MSC nơi thuê bao đang ở. Vùng phục vụ l bộ phận của mạng đợc định nghĩa nh một vùng m ở đó có thể đạt đến một trạm di động nhờ việc trạm MS ny đợc ghi lại ở một bộ ghi tạm trú, Một vùng mạng GSM/PLMN đợc chia thnh một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR. 3. Vùng định vị (LA: Location Area) Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR đợc chia thnh một số vùng định vị. Vùng định vị l một phần của vùng phục vụ MSC/VLR m ở đó một MS có thể chuyển động tự do m không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đi MSC/VLR điều khiển vùng định vị ny. Vùng định vị ny l vùng m ở đó một thông báo tìm gọi sẽ đợc phát quảng bá để tìm MS bị gọi. Vùng định vị có thể có một số ô v phụ thuộc vo một hay vi BSC nhng nó chỉ thuộc một MSC/VLR. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity). Vùng định vị đợc hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động. 4. Ô (Cell) Vùng định vị đợc chia thnh một số ô. Ô l một vùng bao phủ vô tuyến đợc mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô ton cầu (CGI - Cell Global Identity). Trạm di động tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC - Base Station Identity Code). Các vùng ở GSM có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Mối quan hệ giữa các vùng của GSM đợc thể hiện ở hình 1.3. 7 Hình 1.2 Vùng mạng GSM/PLMN : Các đờng truyền giữa các mạng khác nhau v mạng GSM/PLMN X PSTN Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp Vùng phục vụ GSM (tất cả các nớc thnh viên) Vùng phục vụ PLMN (một hay nhiều vùng ở một nớc) Vùng phục vụ MSC (vùng đợc điều khiển bởi một MSC) Vùng định vị (Vùng định vị v tìm gọi) Cell (ô) (vùng có một trạm gốc riêng) 1.3 Hệ thống chuyển mạch (SS - Switching Subsystem) Hệ thống chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng nh các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao v quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của SS l l quản lý thông tin giữa những ngời sử dụng mạng GSM với nhau v với mạng khác. 1.3.1 Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC - Mobile Service Switching Centre) ở SS chức năng chính chuyển mạch chính đợc MSC thực hiện, nhiệm vụ chính của MSC l điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những ngời sử dụng mạng GSM. Một mặt BSC giao tiếp với hệ thống con BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoi đợc gọi l MSC cổng. Việc giao tiếp với mạng ngoi để đảm bảo thông tin cho những ngời sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng ( các chức năng tơng tác IWF :Interworking Function ). SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoi để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng ny cho việc truyền tải số liệu của ngời sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM. Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCS 7), mạng ny đảm bảo hoạt động tơng tác giữa các phần tử của SS trong nhiều hay một mạng GSM. MSC thờng l một tổng đi lớn điều khiển v quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc 8 Hình 1.3 Ví dụ về phân cấp cấu trúc địa lý của mạng di động cellular (GSM) Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp (BSC). Một tổng đi MSC thích hợp cho một vùng đô thị v ngoại ô có dân c vo khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình ). Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các mạng ny. Các thích ứng ny đợc gọi l các chức năng tơng tác. IWF ( Interworking Function ) bao gồm một số thiết bị để thích ứng giao thức truyền dẫn. Nó cho phép kết nối với các mạng : PSPDN ( Packet Switched Public Data Network : mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói ) hay CSPDN ( Circuit Switched Public Data network : mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch) , nó cũng tồn tại khi các mạng khác chỉ đơn thuần l PSTN hay ISDN. IWF có thể đợc thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trờng hợp hai giao tiếp giữa MSC v IWF đợc để mở. 1.3.2 Bộ ghi định vị thờng trú (HLR - Home Location Register) Ngoi MSC, SS bao gồm cả các cơ sở dữ liệu. Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông đợc lu giữ ở HLR không phụ thuộc vo vị trí hiện thời của thuê bao. HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao. Thờng HLR l một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch nhng có khả năng quản lý hng trăm ngn thuê bao. Một chức năng con của HLR l nhận dạng trung tâm nhận thực AUC m nhiệm vụ của trung tâm ny l quản lý an ton số liệu của các thuê bao đợc phép. 1.3.3 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register) VLR l cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nó đợc nối với một hay nhiều MSC v có nhiệm vụ lu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tơng ứng v đồng thời lu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Mỗi MSC có một VLR. Ngay khi MS lu động vo một vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS ny từ HLR. Đồng thời HLR sẽ đợc thông báo l MS đang ở vùng phục vụ no. Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết dể thiết lập cuộc gọi m không cần hỏi HLR. Có thể coi VLR nh một HLR phân bố. Dữ liệu bổ sung đợc lu giữ ở HLR gồm : y Tình trạng của thuê bao (bận, rỗi, không trả lời ). y Nhận dạng vùng định vị (LAI). y Nhận dạng của thuê bao di động tạm thời (TMSI). 9 y Số lu động của trạm di động (MSRN). Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp Các chức năng VLR thờng đợc liên kết với chức năng MSC. 1.3.4 Tổng đi di động cổng (GMSC - Gate MSC) SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR. Để thiết lập một cuộc gọi đến ngời sử dụng GSM, trớc hết cuộc gọi phải đợc định tuyến đến một tổng đi cổng đợc gọi l GMSC m không cần biết hiện thời thuê bao đang ở đâu. Các tổng đi cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao v định tuyến cuộc gọi đến tổng đi đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời ( MSC tạm trú ). Để vậy, trớc hết các tổng đi cổng phải dựa trên số danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết v hỏi HLR ny. Tổng đi cổng có một giao diện với các mạng bên ngoi thông qua giao diện ny nó lm nhiệm vụ cổng để kết nối các mạng bên ngoi với mạng GSM. Ngoi ra tổng đi ny cũng có giao diện báo hiệu số 7 ( CCS 7 ) để có thể tơng tác với các phần tử khác của SS. Về phơng diện kinh tế không phải bao giờ tổng đi cổng cũng đứng riêng m thờng đợc kết hợp với MSC. 1.3.5 Trung tâm nhận thực (AUC - Authentication Center) Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các thông số nhận thực v các khoá mật mã. Trung tâm nhận thực liên tục cung cấp các bộ ba cho từng thuê bao. Các bộ ba ny đợc coi nh l số liệu liên quan đến thuê bao. Một bộ ba (RAND, SRES, hoá mật mã (Kc) ) đợc sử dụng để nhận thực một cuộc gọi để tránh trờng hợp Card thuê bao (Card thông minh) bị mất. ít nhất phải luôn có một bộ ba mới (cho một thuê bao) ở HLR để luôn có thể cung cấp bộ ba ny theo yêu cầu của MSC/VLR. AUC chủ yếu chứa một số các máy tính cá nhân gọi l PC - AUC để tạo ra các bộ ba v cung cấp chúng đến HLR. PC - AUC đợc coi nh một thiết bị vo/ra (I/O). Trong AUC các bớc sau đây đợc thực hiện để tạo ra bộ ba : y Một số ngẫu nhiên không thể đoán đợc (RAND) đợc tạo ra. y RAND v Ki đợc sử dụng để tính toán trả lời đợc mật hiệu (SRES) v khoá mật mã (Kc) bằng hai thuật toán : o SRES = A3 (RAND , Ki) o Kc = A8 (RAND , Ki) y RAND, SRES v Kc cùng đợc đa đến HLR nh một bộ ba. Quá trình nhận thực sẽ luôn diễn ra mỗi lần thuê bao truy cập vo mạng của hệ thống. 10 Quá trình nhận thực diễn ra nh sau : . §TVT4 - Kho¸ 41 §å ¸n tèt nghiÖp PhÇn I :Tæng quan m¹ng th«ng tin di ®éng GSM Ch−¬ng 1 CÊu tróc m¹ng GSM 1.1 Tæng quan m¹ng GSM CÊu h×nh m¹ng GSM : . vùng ở GSM có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Mối quan hệ giữa các vùng của GSM đợc thể hiện ở hình 1.3. 7 Hình 1.2 Vùng mạng GSM/ PLMN : Các đờng truyền giữa các mạng khác nhau v mạng GSM/ PLMN X PSTN . Vùng mạng Các đờng truyền giữa mạng GSM/ PLMN v mạng PSTN/ISDN khác hay các mạng PLMN khác sẽ ở mức tổng đi trung kế quốc gia hay quốc tế. Trong một mạng GSM/ PLMN tất cả các cuộc gọi kết cuối