Di động GSM kiến trúc phân lớp, giao thức, giao diện

LỜI NÓI ĐẦU Tại Việt Nam, mạng di động số hệ thứ (2G) sử dụng công nghệ GSM phát triển rộng khắp tỉnh thành nước từ năm 2011 Công nghệ GSM sử dụng dải tần 900Mhz, 9,6Kbps áp dụng cho dịch vụ thoại, dịch vụ tin nhắn, hạn chế nhiều dịch vụ phi thoại yêu cầu có tốc độ cao hình ảnh, gửi hình ảnh, văn truy cập Internet Đồng thời với phát triển mạng di động sử dụng công nghệ GSM, ngày nay, nước tiên tiến giới mà nước ta phát triển mạnh mạng sử dụng công nghệ cao hon như: GPRS, 3G, w - CDMA(4G) Các mạng di động sử dụng công nghệ cao có tốc độ truy cập nhanh hon, cung cấp nhiều loại hình dịch vụ tiên tiến mà GSM không cung cấp đáp ứng nhu cầu sử dụng viễn thông khách hàng sử dụng mạng Có thể nói, ngày hệ thống công nghệ thông tin hệ thống thông tin di động liên tục thay đổi phát triển nhanh chóng Hay nói cách khác chúng thay đổi, nâng cấp theo tùng ngày, biến đổi Tuy vậy, khai niệm tảng hệ thống thông tin di động không thay đối Bởi tất công nghệ tiên tiến cải tiến từ tảng Do vậy, nhóm định lựa chọn đề tài “Hệ thống GSM: Kiến trúc hệ thống, Kiến trúc giao diện & Kiến trúc giao thức” để nghiên cứu tìm hiểu Bài tiểu luận gồm nội dung sau: • Kiến trúc hệ thống GSM • Kiến trúc lớp giao diện hệ thống GSM • Kiến trúc lớp giao thức hệ thống GSM • CHƯƠNG KIẾN TRÚC HỆ THỐNG GSM 1.1 Giới thiệu Cung cấp cấu trúc tổng quan mạng GSM, bao gồm giải thích ngắn gọn hệ thống (subsystem) mô tả chức thành phần hệ thống Chương bao gồm: • Các số nhận dạng GSM • Cấu trúc tổng quan • Mobile Station (MS) Subsystem thành phần • Base Station Subsystem (BSS) thành phần • Network Switching Subsystem (NSS) thành phần Các giao diện xác định hệ thống bao gồm: • Giao diện A NSS BSS • Giao diện Abis BSC BTS (trong BSS) • Giao diện Um vô tuyến BSS MS 1.2 Các số nhận dạng GSM 1.2.1 IMEI - International Mobile Equipment Identifier IMEI thông số xác định phần cứng MS Nó đăng ký nhà khai khác mạng (tùy chọn) lưu AuC cho mục đích xác nhận hợp lệ 1.2.2 IMSI - International Mobile Subcriber Identifier Khi thuê bao đăng ký với nhà khai thác mạng, thông số IMSI tạo lưu trữ SIM MS Một MS hoạt động với SIM hợp lệ IMEI hợp lệ 1.2.3 TMSI - Temporary Mobile Subcriber Identifier TMSI sử dụng để bảo vệ số nhận dạng thực (IMSI) thuê bao Nó tạo lưu trữ VLR trình IMSI attach diễn hay cập nhât Location Area (LA) diễn Tại MS, lưu SIM MS TMSI hợp lệ LA xác định 1.2.4 MSISDN – Mobile Subscriber ISDN Number MSISDN số thuê bao di động Nó gán cho thuê bao nhà khai thác mạng đăng ký lưu SIM Có thể MS có nhiều MSISDN, MSISDN liên đới với dịch vụ khác 1.2.5 MSRN – Mobile Station Roaming Number MSRN số ISDN tạm, phụ thuộc vào vị trí tạo VLR cho tất MS khu vực phục vụ Nó lưu trữ VLR HLR không lưu MS MSRN sử dụng MSC/VLR cho mục đích định tuyến gọi 1.2.6 LAI – Location Area Identity Mỗi LA PLMN có số nhận dạng (LAI) LAI quảng bá đặn BTS kênh BCCH (Broadcast Control Channel), 1.2.7 CI – Cell Identifier CI số nhận dạng gán cho cell mạng Tuy nhiên, CI LA xác định Khi kết hợp với LAI LA tương ứng, GCI (Global Cell Identity) tạo mang tính 1.2.8 BSIC – Base Station Identity Code Mỗi BTS có số nhận dạng BSIC sử dụng để phân biệt BTS lân cận (neighbour) 1.3 Cấu trúc tổng quan Hình Cấu trúc tổng quan mạng GSM Chú thích: MS: Mobile Station SIM: Subscriber Identity Module MS: Mobile Station BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller MSC: Mobile Services Switching Center VLR: Visitor Location Register AuC: Authentication Center EIR: Equipment Identity Register HLR: Home Location Register OMC: Operation & Maintenance Center DCN: Data Communication Network NSS: Network Switching Subsystem GMSC: Gateway Mobile Switching Center PSTN: Public Switched Telephone Network ISDN: Integrated Services Digital Network Một mạng GSM bao gồm ba hệ thống con: • Mobile Station (MS) • Base Station Subsystem (BSS) – bao gồm BSC BTS • Network Switching Subsystem (NSS) – bao gồm MSC ghi tương ứng 1.4 Mobile Station (MS) MS bao gồm thiết bị vật lý sử dụng thuê bao PLMN để kết nối với mạng Nó bao gồm Mobile Equipment (ME) Subcriber Identity Module (SIM) • SIM lưu trữ IMSI, MSISDN, khóa xác thực Ki giải thuật dùng cho kiểm tra xác thực • ME có số xác nhận IMEI nhất, sử dụng EIR 1.5 Base Station Subsystem (BSS) BSS bao gồm thiết bị trạm gốc (transceivers, controllers…) nhìn thấy MSC thông qua giao diện A Thiết bị vô tuyến BSS hỗ trợ hay nhiều cell BSS bao gồm hay nhiều trạm gốc, giao tiếp Abis thực thi BSS bao gồm BSC hay nhiều BTS Chức BTS: • Cung cấp truy cập vô tuyến cho MS • Quản lý mặt truy cập vô tuyến hệ thống BTS bao gồm: • Thu phát vô tuyến (TRX) • Các thiết bị xử lý điều khiển tín hiệu • Các Antenna cáp feeder Chức BSC: • Cấp phát kênh cho suốt gọi • Duy trì gọi: o Giám sát chất lượng o Điều khiển công suất truyền từ BTS hay MS o Quyết định handover sang cell khác cần thiết 1.6 Network Switching Subsystem (NSS) 1.6.1 Tổng quan NSS Các thành phần NSS bao gồm: MSC/VLR, HLR/AuC, EIR, GMSC Các thành phần liên kết với sử dụng báo hiệu số (SS7) Hình Tổng quan NSS 1.6.2 Mobile Switching Centre (MSC) Chức MSC: • Chuyển mạch gọi, điều khiển gọi ghi nhật ký gọi • Giao tiếp với PSTN, ISDN, PSPDN • Quản lý di động (Mobility Management) thông qua mạng vô tuyến mạng khác • Quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management) – handover BSC • Thông tin tính cước Hình MSC BSS, MS 1.6.3 Visitor Location Register (VLR) VLR sở liệu chứa thông tin tạm thuê bao MSC area Mỗi MSC mạng có VLR liên đới VLR phục vụ nhiều MSC Khi MS di chuyển vào LA mới, bắt đầu trình đăng ký MSC có nhiệm vụ thông báo việc đăng ký chuyển số xác định LA cho VLR Nếu MS chưa đăng ký trước đó, VLR HLR trao đổi thông tin phép việc quản lý gọi thích hợp cho MS VLR bao gồm thông tin cần thiết để quản lý việc thiết lập hay nhận gọi MS đăng ký sở liệu Các thành phần bao gồm: • IMSI • MSISDN • MSRN • TMSI • LMSI • LA, MS tiến hành đăng ký 1.6.4 Home Location Register (HLR) HLR sơ liệu có trách nhiệm quản lý thuê bao di động PLMN có hay vài HLR phụ thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng thiết bị việc tổ chức mạng Có nhóm thông tin lưu trữ đây: • Thông tin thuê bao • Thông tin vị trí cho phép việc tính cước định tuyến tới MSC với MS xác định (ví dụ MSRN, địa VLR, địa MSC, LMSI) Hai kiểu số nhận dạng attach cho thuê bao di động lưu HLR: • IMSI • Một hay nhiều số MSISDN IMSI hay MSISDN dùng khóa để truy cập thông tin sở liệu cho thuê bao di động 1.6.5 Authencation Centre (AuC) AuC kết hợp với HLR, lưu trữ khóa xác nhận cho thuê bao đăng ký với HLR Khóa dùng để tạo ra: • Dữ liệu sử dụng để xác thực IMSI • Một khóa sử dụng để bảo mật thông tin qua kênh vô tuyến MS mạng 1.6.6 Gateway Mobile Switching Centre (GMSC) GMSC định tuyến gọi mạng điểm truy cập cho gọi vào mạng từ bên 1.6.7 Equipment Identity Register (EIR) EIR sở liệu lưu trữ số nhận dạng IMEI cho ME EIR điều khiển truy cập vào mạng cách trả trạng thái MS trả lời cho IMEI query tương ứng Các mức trạng thái: • White-listed: Thiết bị đầu cuối cho phép kết nối với mạng • Grey-listed: Thiết bị đầu cuối quan sát mạng vấn đề xảy • Black-listed: Thiết bị đầu cuối báo hay loại phê chuẩn cho mạng GSM, thiết bị đầu cuối kết nối với mạng CHƯƠNG KIẾN TRÚC LỚP GIAO DIỆN HỆ THỐNG GSM Hình Kiến trúc lớp giao thức GSM 2.1 Giao diện A (MSC-BSS) Giao diện BSS-MSC dùng để mang thông tin liên quan đến: • Quản lý BSS • Quản lý gọi • Quản lý di động 2.2 Giao diện Abis (BSC-BTS) Giao diện sử dụng BSC BTS để hỗ trợ dịch vụ cho người dùng thuê bao GSM Giao diện cho phép việc điều khiển thiết bị vô tuyến tần số vô tuyến cấp phát cho BTS 2.3 Giao diện B (MSC-VLR) Bất MSC cần liệu liên quan tới MS khu vực nó, hỏi VLR thông qua giao diện Thí dụ mà MS bắt đầu thủ tục cập nhật vị trí với MSC, MSC thông báo cho VLR thông tin liên quan 2.4 Giao diện D (HLR-VLR) Giao diện sử dụng để trao đổi liệu liên quan đến vị trí MS việc quản lý thuê bao Dịch vụ cung cấp cho thuê bao di động khả thiết lập hay nhận gọi toàn service area Để hỗ trợ điều này, ghi vị trí phải trao đổi liệu Trao đổi liệu xảy thuê bao di động đòi hỏi dịch vụ cụ thể, muốn thay đổi liệu attach thông tin thuê bao 2.5 Giao diện E (MSC-MSC) Khi MS di chuyển từ MSC area sang MSC area khác suốt gọi, thủ tục handover phải tiến hành để trì liên lạc Bởi mục đích MSC phải trao đổi liệu để bắt đầu thực việc Sau handover hoàn tất, MSC trao đổi thông tin để truyền tải báo hiệu giao diện A cần thiết Khi mà thông điệp ngắn truyền MS SMC (Short Message Service Centre), chiều, giao diện dùng để truyền thông điệp MSC phục vụ MS MSC có giao diện với SC 2.6 Giao diện F (MSC-EIR) Giao diện dùng cho trao đổi liệu MSC EIR, mục đích để EIR xác nhận trạng thái nhận IMEI từ MS 2.7 Giao diện G (VLR-VLR) Khi MS di chuyển từ VLR area sang VLR area khác, thủ tục đăng ký vị trí xảy Thủ tục bao gồm việc lấy IMSI thông số xác thực VLR cũ 2.8 Giao diện H (HLR-AuC) Khi HLR nhận yêu cầu xác thực mã hóa liệu cho MS, HLR yêu cầu liệu từ AuC Giao thức sử dụng để truyền liệu thông qua giao diện không chuẩn hóa 2.9 Giao diện Um (MS-BTS) Giao diện giao diện vô tuyến Tóm tắt lớp giao diện: Giao diện Vị trí, chức Giao diện MS BTS Um Mang chùm GSM – mang liệu thông tin điều khiển Nằm BSC MSC/VLR A Asub Quản lý BSS Quản lý gọi Nằm BTS BSC Hỗ trợ dịch vụ cho người dung Abis Cho phép điều khiển thiết bị vô tuyến tần số vô tuyến cấp phát cho BTS Nằm MSC VLR MSC hỏi VLR thông qua giao diện liệu B MS khu vực MSC Nằm HLR GMSC MSC HLR C Chức tương tự giao diện B Nằm HLR VLR Dùng để trao đổi liệu liên quan đến vị trí D MS việc quản lý thuê bao Nằm MSC MSC với G-MSC E Dùng để thực chuyển giao thông tin MSC MS thay đổi vị trí từ vùng MSC quản lý sang vùng MSC khác quản lý Nằm EIR MSC EIR G-MSC F Trao đổi liệu MSC EIR, để EIR xác nhận trạng thái cho MS nhận IMEI G Nằm VLR VLR khác, thực thủ tục đăng ký vị trí Nằm HLR AuC H Khi HLR nhận yêu cầu xác thực mã hóa liệu cho MS, HLR yêu cầu liệu từ AuC thông qua giao diện Các giao diện thực trao đổi thông tin báo hiệu: B, C, D, G, H, F CHƯƠNG KIẾN TRÚC LỚP GIAO THỨC TRONG GSM Kiến trúc báo hiệu GSM xây dựng sở báo hiệu kênh chung số (SS7) cho mạng lõi báo hiệu thuê bao số DSSI cho truy nhập vô tuyến Báo hiệu mạng lõi ISUP sử dụng MAP để truyền báo hiệu đặc thù di động không liên quan đến kết nối Chú thích: CM: Connection Management; MM: Mobility Management RRM: Radio Resource Management; BSTM: BTS Management LAPDm: Link Access Procedures on Dm-Channel LAPD: Link Access Procedures on D-Channel BTSM: BTS Management BSSAP: Base Station System Application Part SCCP: Signalling Connection Control Part MTP: Message Transfer Part MAP: Mobile Application Part TCAP: Transaction Capabilities Application Part ISUP: ISDN User Part TUP: Telephone User Part Lớp giao thức GSM chia làm lớp: - lớp CM MM liên kết logic trực tiếp với MSC + Quản lí di dộng (MM) có chức : • Nhận thực Ấn định lại TMSI Nhận dạng trạm di động cách yêu cầu IMSI hay IMEI + Quản lí kết nôi (CM) bao gồm: • Điều khiển gọi (CC: Call Control) • Các dịch vụ bổ sung (SS: Supplemetary Services • Dịch vụ tin ngắn (SMS: Short Message Service) - Lớp bên RR ( quản lý tài nguyên vô tuyến ) : thiết lập, trì, giải phóng đầu nối tài nguyên điều khiển riêng, gồm chức năng: + Thiết lập chế độ mật mã • • + Thay đổi kênh dành riêng ô cũ như: từ SDCCH đến kênh lưu lượng + Chuyển giao từ ô đến ô khác + Định nghĩa lại tần số KÉT LUẬN Thông tin di động phát triển từ lâu, đời sống đóng vai trò quan trọng sống sinh hoạt hàng ngày người Bài tiểu luận nhóm trình bày kiến thức kiến trúc mạng thông tin di động GSM - phần quan trọng hệ thống thông tin di động Trong trình thực tiểu luận thành viên nhóm tiếp thu nhiều kiến thức mạng GSM Bài tiểu luận thiếu sót không tránh khỏi, mong cô bạn đóng góp ý kiến để nhóm hoàn thiện tiểu luận thật tốt! Xin chân thành cảm ơn cô bạn! Hà Nội, tháng năm 2016 TÀI LIỆU THAM KHẢO • • • Đồ án “TỒNG QUAN VÈ HỆ THÓNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM”, Đình Thị Hồng Phúc, Đại học Bách Khoa HN, 2011 GSM Tutorials @ http://www.rfwirelessworld.com/Tutorials/gsm-tutorial.html Tài liệu Tổng quan mạng GSM từ Internet ... loại phê chuẩn cho mạng GSM, thiết bị đầu cuối kết nối với mạng CHƯƠNG KIẾN TRÚC LỚP GIAO DI N HỆ THỐNG GSM Hình Kiến trúc lớp giao thức GSM 2.1 Giao di n A (MSC-BSS) Giao di n BSS-MSC dùng để... di n không chuẩn hóa 2.9 Giao di n Um (MS-BTS) Giao di n giao di n vô tuyến Tóm tắt lớp giao di n: Giao di n Vị trí, chức Giao di n MS BTS Um Mang chùm GSM – mang liệu thông tin điều khiển Nằm BSC... (NSS) thành phần Các giao di n xác định hệ thống bao gồm: • Giao di n A NSS BSS • Giao di n Abis BSC BTS (trong BSS) • Giao di n Um vô tuyến BSS MS 1.2 Các số nhận dạng GSM 1.2.1 IMEI - International