Hiện nay trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của x• hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú. Bằng những bước phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử – Tin Học – Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con người từng giờ từng phút , nó tạo ra một trào lưu "Điện Tử – Tin Học – Viễn Thông " trong mọi lĩnh vực ở những năm cuối của thế kỷ 20, và đầu thế kỷ 21. Lĩnh vực Thông Tin Di Động cũng không nằm ngoài trào lưu đó. Cùng với nhiều công nghệ khác nhau Thông Tin Di Động đang không ngừng phát triển đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo nhiều thuận lợi trong miền thời gian cũng như không gian. Chắc chắn trong tương lai Thông Tin Di Động sẽ được hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả m•n nhu cầu thông tin tự nhiên của con người. Trên cơ sở những kiến thức đ• tích luỹ được qua 5 năm học tập chuyên ngành Điện Tử – Viễn Thông tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đ• hoàn thành bản báo cáo thực tập tốt nghiệp này. Trong bản báo Thục tập tốt nghiệp này tôi xin nêu lên một phần trong đồ án tốt nghiệp của tôi, đó là “ Tìm hiểu hệ thống báo hiệu số 7 trong mạng GSM”. Do thời gian thục tập có hạn nên tôi chỉ tìm hiểu được một phần trong đồ án của mình đó là “ Tổng quan về mạng thông tin di động GSM”
Báo cáo thực tập Sinh viên: Nguyên Đình Thế Mục lục Lời nói đầu 2 Phần I: Tổng quan về mạng GSM3 Chơng 1: Giới thiệu về mang di động GSM3 Chơng 2: Cấu trúc mạng GSM5 2.1 Tổng quan mạng GSM5 2.2 Cấu trúc địa lý của mang7 2.2.1 Vùng mang7 2.2.2 Vùng phục vụ8 2.2.3 Vùng định vị8 2.2.4 Ô (cell)8 2.3 Hệ thống chuyển mạch9 2.3.1 Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động9 2.3.2 Bộ ghi định vị thờng chú10 2.3.3 Bộ ghi dịnh vị tam trú10 2.3.4 Tổng đài di động cổng11 2.3.5 Trung tâm nhận thực11 2.3.6 Chức năng tơng tác12 2.4 Hệ thống trạm gốc12 2.4.1 Trạm thu phát gốc13 2.4.2 BSC13 2.5 Tram di động MS14 2.6 hệ thống khai thác và bảo dỡng OSS15 2.6.1 Khai thác và bảo dỡng16 2.6.2 Quản lý thuê bao16 2.6.3 Quản lý thiết bị di động16 2.6.4 Trung tâm quản lý mạng17 2.6.5 Trung tâm khai thác và bảo dỡng17 Chơng 3: Các giao diện và thông tin trong hệ thống GSM18 3.1 Giới thiệu chung18 3.2 Giao diện vô tuyến19 3.2.1 Tổng quan19 3.2.2 Cấu trúc các cụm21 3.2.3 Các kênh lôgic21 3.3 Một số trờng hợp thông tin22 1 Báo cáo thực tập Sinh viên: Nguyên Đình Thế Lời nói đầu Hiện nay trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu đợc, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con ngời nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú. Bằng những bớc phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử Tin Học Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con ngời từng giờ từng phút , nó tạo ra một trào lu "Điện Tử Tin Học Viễn Thông " trong mọi lĩnh vực ở những năm cuối của thế kỷ 20, và đầu thế kỷ 21. Lĩnh vực Thông Tin Di Động cũng không nằm ngoài trào lu đó. Cùng với nhiều công nghệ khác nhau Thông Tin Di Động đang không ngừng phát triển đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lợng và chất lợng, tạo nhiều thuận lợi trong miền thời gian cũng nh không gian. Chắc chắn trong tơng lai Thông Tin Di Động sẽ đợc hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu thông tin tự nhiên của con ngời. Trên cơ sở những kiến thức đã tích luỹ đợc qua 5 năm học tập chuyên ngành Điện Tử Viễn Thông tại tr ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đã hoàn thành bản báo cáo thực tập tốt nghiệp này. Trong bản báo Thục tập tốt nghiệp này tôi xin nêu lên một phần trong đồ án tốt nghiệp của tôi, đó là Tìm hiểu hệ thống báo hiệu số 7 trong mạng GSM. Do thời gian thục tập có hạn nên tôi chỉ tìm hiểu đợc một phần trong đồ án của mình đó là Tổng quan về mạng thông tin di động GSM 2 Báo cáo thực tập Sinh viên: Nguyên Đình Thế Phần I: Tổng quan mạng thông tin di động GSM chơng 1. Giới thiệu về mạng thông tin di động GSM Ngày nay mạng GSM với những u điểm nổi bật nh: dung lọng lớn, chất lợng kết nối tốt, tính bảo mật cao ., đã có một chỗ đứng vững chắc trên thị trờng viễn thông thế giới. ở Việt Nam, khi chúng ta đã bắt đầu có những máy điện thoại sử dụng công nghệ GSM lần đầu tiên vào năm 1993. Đã đánh dấu một bớc phát triển vợt bậc về công nghệ viễn thôngcủa đất nớc. Hiên nay tai Việt Nam đang có 3 nhà cung cấp dich vụ thông tin di động sử dụng công nghệ GSM là VMS (mạng MobiFone), GPC (mạng Vinaphone), Vietel. Các thuêu bao di động tại Viêt Nam sử dụng dịch vụ thoại truyền thống với tốc độ thoại là 13 Kb/s và truyền số liệu với tốc độ là 9,6 Kb/s. GSM trớc đây đợc biết nh Group Special Mobile (nhóm di động đặc biệt, là nhóm đã phát triển nó, đợc thiết kế từ sự bắt đầu nh một dịch vụ tế bào số quốc tế. Giao tiếp vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA. ý định ban đầu là các thuê bao GSM có khả năng di chuyển qua các biên giới quốc gia sẽ nhận đợc các dịch vụ di động và các tính năng đi theo cùng với họ. Kiểu GSM của châu Âu hiện nay sử dụng ở tần số 900 MHz và 1800 MHz. ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng cho dịch vụ PCS 1900 tại vùng Đông Bắc California va Nevada. Do dịch vụ PCS sử dụng tần số 1900 MHz, nên các điện thoại không có khả năng kết nối hoạt động với điện thoại GSM hoạt động trong các mạng ở tần số 800 MHz và 1800 MHz. Tuy nhiên vấn đề này có thể khắc phục đợc với các điện thoại đa băng trong tất cả các tần số. Vào đầu năm 1980, thị trờng hệ thống điện thoại tế bào tơng tự đã phát triển rất nhanh ở châu Âu. Mỗi nớc dã phát triển một hệ thống tế bào độc lập với những hệ thống của các nớc khác. Sự phát triển không đợc hợp tác của các hệ thống thông tin di động quốc gia có nghĩa là không cho thuê bao sử dụng cùng một máy di động cầm tay khi di chuyển trong châu Âu. Không chỉ các thiết bị di động bị hạn chế trong khuôn khổ quốc gia, mà còn có một thị trờng rất hạn chế với mỗi kiểu thiết bị. Vì thế tiết kiệm chi phí có thể không thực hiện đợc. Ngoài một thị trờng trong nớc đầy đủu với các mẫu chung, có thể không có một nhà chế tạo nào cạnh tranh đợc trên thị trờng thế giới. Hơn nũa, chính phủ các nớc nhận rõ là các hệ thống thông tin không tơng thích có thể cản chở tiến trình để đạt đợc một tầm nhìn chiến lợc của họ về một châu âu với một nền kinh tế thống nhất. Với những cân nhắc nêu trên, hội nghị điện thoại điện báo gồm 26 quốc gia châu Âu (CEPT) đã thành lập một nhóm nghiên cứu gọi là Group Special Mobile vào năm 3 Báo cáo thực tập Sinh viên: Nguyên Đình Thế 1982 để nghiên cứu và phát triển một hệ thống thông tin liên châu Âu. Đến năm 1986 tình hình chở nên sáng sủa vì một số mạng tế bào tơng tự hiện tại có thể sử dụng hết lu lợng vào năm 1990. CEPT đã khuyến nghị rằng hai khối tấn số trong băng tần 900 MHz đợc dự trữ cho hệ thống mới. Tiêu chuẩn GSM chỉ rõ các băng tần từ 890 MHz đến 915 MHz cho băng thu và 935 MHz đến 960 MHz cho băng phát với mỗi băng đợc chia thành các kênh 200 KHz. Hệ thông tin di động đợc CEPT đa ra đã đáp ứng đợc các tiêu chuẩn sau: - Cung cấp âm thoai chất lợng cao; - Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế; - Hổtợ các thiết bị đầu cuối cầm tay; - Hỗ trợ một loạt các dịch vụ và các thiết bị mới; - Cung cấp hiệu quả phổ tần số; - Cung cấp khả năng tơng thích với ISDN; - Cung cấp chi phí dịch vụ và đầu cuối thấp. Vào năm 1989, việc phát triển các đặc tính kỹ thuật của GSM đã đợc chuyển từ CEPT đến viện tiêu chuân viên thông châu Âu (ETSI) .ETSI đợc thành lập vào năm 1988 để thiết lập các tiêu chuẩn viễn thông cho châu Âu và hợp tác với các tổ chức tiêu chuẩn khác, các lĩnh vực liên quan đến truyền hình và công nghệ liên quan đến thông tin văn phòng. ETSI đã ấn bản các đặc tính kỹ thuật giai đoạn 1 của GSM vào năm 1990. Dịch vụ thơng mại đã đợc bát đầu vào giữa nam 1991. Đến năm 1993 đã có 36 mạng GSM tại 22 nớc, và thêm 25 nớc đã lựa chọn và bắt đầu cân nhắc GSM. Từ đó, GSM đã đợc chấp nhận ở Nam Phi, úc và rất nhiều vùng Trung Đông và Viễn Đông. Tại Bắc Mỹ, GSM đ- ợc dùng để thực hiện PCS. Đến cuối năm 1998 đã có 323 mạng GSM ở 118 nớc phục vụ 138 triêu thuê bao. 4 B¸o c¸o thùc tËp Sinh viªn: Nguyªn §×nh ThÕ Ch¬ng 2. CÊu tróc m¹ng GSM 2.1 Tæng quan m¹ng GSM CÊu h×nh m¹ng GSM : Trong ®ã: SS : Switching System - HÖ thèng chuyÓn m¹ch AUC : Trung t©m nhËn thùc VLR : Bé ghi ®Þnh vÞ t¹m tró 5 MS SS OSS VLR HLR AUC MSC EIR BSS BSC BTS ISDN ISDN PSPDN PSPDN CSPDN CSPDN PSTN PSTN PLMN PLMN TruyÒn b¸o hiÖu TruyÒn lu lîng H×nh 1.1 CÊu tróc m¹ng GSM Báo cáo thực tập Sinh viên: Nguyên Đình Thế 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. Trung tâm nhận thực (AUC ) đợc nối đến HLR. Chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các thông số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật. Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) : là 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 và hỗ trợ (OSS) đợc nối đến tất cả các thiết bị ở hệ thống chuyển mạch và nối đến BSC. 2.2 Cấu trúc địa lý của mạng 6 Báo cáo thực tập Sinh viên: Nguyên Đình Thế Mọi mạng điện thoại đều cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi vào đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi. Trong mạng di động cấu trúc này 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). 2.2.1 Vùng mạng Các đờng truyền giữa mạng GSM/PLMN và mạng PSTN/ISDN khác hay các mạng PLMN khác sẽ ở mức tổng đài 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 đài vô tuyến cổng (GMSC). GMSC làm việc nh một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN. Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi định tuyến cuộc gọi cho các kết cuối di động. 2.2.2. Vùng phục vụ : MSC / VLR Vùng phục vụ là 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 là bộ phận của mạng đợc định nghĩa nh một vùng mà ở đó có thể đạt đến một trạm di động nhờ việc trạm MS này đợc ghi lại ở một bộ ghi tạm trú, Một vùng mạng GSM/PLMN đợc chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR. 2.2.3. Vùng định vị (LA: Location Area) 7 Hình 1.2 Vùng mạng GSM/PLMN : Các đờng truyền giữa các mạng khác nhau và mạng GSM/PLMN GMSC GMSC_PLMN X X ISDN PLMN X PSTN Báo cáo thực tập Sinh viên: Nguyên Đình Thế Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR đợc chia thành một số vùng định vị. Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR mà ở đó một MS có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùng định vị này. Vùng định vị này là vùng mà 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 và phụ thuộc vào một hay vài 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. 2.2.4. Ô (Cell) Vùng định vị đợc chia thành một số ô. Ô là một vùng bao phủ vô tuyến đợc mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn 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. 8 Báo cáo thực tập Sinh viên: Nguyên Đình Thế Vùng phục vụ GSM (tất cả các nớc thành 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 và tìm gọi) Cell (ô) (vùng có một trạm gốc riêng) 2.3 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 và quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là là quản lý thông tin giữa những ngời sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác. 2.3.1 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 là 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 ngoài đợc gọi là MSC cổng. Việc giao tiếp với mạng ngoài 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 ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này 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 này đảm bảo hoạt động tơng tác giữa các phần tử của SS trong nhiều hay một mạng GSM. MSC thờng là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc (BSC). Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị và ngoại ô có dân c vào khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình ). 9 Hình 1.3 Ví dụ về phân cấp cấu trúc địa lý của mạng di động cellular (GSM) Báo cáo thực tập Sinh viên: Nguyên Đình Thế Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các mạng này. Các thích ứng này đợc gọi là 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 là 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 và IWF đợc để mở. 2.3.2 Bộ ghi định vị thờng trú (HLR - Home Location Register) Ngoài 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 vào 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 là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch nhng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC mà nhiệm vụ của trung tâm này là quản lý an toàn số liệu của các thuê bao đợc phép. 2.3.3 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register) VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nó đợc nối với một hay nhiều MSC và 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 và 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 vào một vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS này từ HLR. Đồng thời HLR sẽ đợc thông báo là MS đang ở vùng phục vụ nào. 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 mà không cần hỏi HLR. Có thể coi VLR nh một HLR phân bố. Dữ liệu bổ sung đợc lu giữ ở HLR gồm : Tình trạng của thuê bao (bận, rỗi, không trả lời . ). Nhận dạng vùng định vị (LAI). Nhận dạng của thuê bao di động tạm thời (TMSI). Số lu động của trạm di động (MSRN). Các chức năng VLR thờng đợc liên kết với chức năng MSC. 2.3.4 Tổng đài di động cổng (GMSC - Gate MSC) 10