Hệ thống mạng di động GSM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Đề tài: Hệ thống mạng di động GSM Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: Đàm Mỹ Hạnh Nguyễn Hịa Bình 181401736 Kỹ thuật Viễn thơng – K59 Năm học:2021-2022 I LỜI NĨI ĐẦU Hệ thống thông tin di động từ lâu ước mơ lớn người, ước mơ trở thành thực kỹ thuật cho phép Sự thực sóng vơ tuyến thực từ cuối kỷ 19 Tuy nhiên, việc đưa hệ thống thông tin di động vào phục vụ thực sau chiến tranh giới lần thứ 2, mà công nghệ điện tử cho phép Đó dịch vụ thơng tin đặc biệt, cho phép nối thơng gọi khơng cần dây dẫn Ngay di chuyển, thuê bao di động trao đổi thông tin với Do phát triển ngày cao công nghệ điện tử thông tin, mạng thông tin ngày phổ biến, giá ngày hạ độ tin cậy ngày tăng lên Quá trình phát triển mạng thông tin trải qua giai đoạn sau: - Giai đoạn thứ nhất: Sau 1946, khả phục vụ nhỏ, chất lượng không cao, giá đắt - Giai đoạn thứ hai: Từ 1970 – 1979, với phát triển thiết bị điện tử tổ hợp cỡ lớn vi xử lý, ta thực hệ thống phức tạp Bởi vùng phủ sóng anten phát máy di động bị hạn chế nên hệ thống chia thành vài trạm nhận cho trạm phát - Giai đoạn thứ ba: Từ 1979 -1990, mạng tổ ong tương tự Các trạm thu phát đặt theo ô tổ ong Mạng cho phép sử dụng lại tần số cho phép chuyển giao ô gọi Các mạng điển hình là: + AMPS (Advanced Mobile Phone Service): đưa vào hoạt động Mỹ năm 1979 +NMT ( Nordic Mobile Telephone): hệ thống nước Bắc Âu đưa vào sử dụng vào tháng 12/1981 +TACS ( Total Access Communication System): đưa vào phục vụ Vương quốc Anh năm 1985 Tất mạng dựa mạng truyền điện thoại tương tự điều chế tần số Chúng sử dụng tần số 450 900Mhz Vùng phủ sóng mức quốc gia phục vụ vài trăm thuê bao Hệ thống lớn Anh TACS đạt triệu thuê bao vào năm 1990 - Giai đoạn thứ tư: Từ đầu năm 1980, sau hệ thống NMT hoạt động thành công biểu số hạn chế Một yêu cầu cho dịch vụ di động lớn vượt qua số mong đợi nhà thiết kế nên hệ thống đáp ứng Hai hệ thống hoạt động phục vụ cho tất thuê bao châu Âu ,nghĩa thiết bị mạng truy nhập vào mạng khác Ba thiết kế mạng lớn phục vụ cho châu Âu khơng nước đáp ứng vốn đầu tư lớn Tất hạn chế dẫn đến nhu cầu phải thiết kế hệ thống loại làm theo kiểu chung để dùng cho nhiều nước.Năm 1988, viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu– ETSI(Europe Telecommunication Standard Institute) thành lập– GSM(Groupe Special Mobile).GSM cịn có nghĩa hệ thống thơng tin di động tồn cầu (Global System for Mobile Communication) GSM tiêu chuẩn điện thoại di động số toàn châu Âu sử dụng dải tần số 900MHz Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu ngày tăng dịch vụ viễn thông mới, hệ thống thông tin di động tiến tới hệ thứ ba Ở hệ thứ ba này,các hệ thống thơng tin di động có xu hồ nhập thành tiêu chuẩn có khả phục vụ tốc độ lên đến 2Mbps Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM đưa vào từ năm 1993,và hai công ty VMS GPC khai thác hiệu ,công ty Vietel cung cấp dịch vụ từ năm 2004 MỤC LỤC 1.Giới thiệu mạng GSM 1.1 Khái niệm GSM 1.2 Thông số kĩ thuật GSM 2.Cấu trúc hệ thống mạng GSM 2.1 Tổng quan cấu trúc GSM 2.2 Phân tích thành phần GSM 2.2.1 Trạm di động MS 2.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS 2.2.2.1 Trạm thu phát gốc BTS 2.2.2.2 Bộ điều khiển trạm gốc BSC 2.2.2.3 Bộ chuyển đổi mã thích ứng tốc độ TRAU 2.2.3 Phân hệ chuyển mạch SS 2.2.3.1 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng MSC 2.2.3.2 Bộ ghi định vị thường trú HLR 2.2.3.3 Bộ ghi định vị tạm trú VLR 2.2.3.4 Trung tâm nhận thực AUC 2.2.3.5 Bộ đăng kí nhận dạng thiết bị EIR 2.2.4 Phân hệ khai thác OSS Chức GSM Giới thiệu mạng GSM: 1.1 Khái niệm GSM GSM tên viết tắt cụm từ tiếng anh Global System for Mobile Communication Có nghĩa hệ thống toàn cầu dành riêng cho việc liên lạc di động Mạng GSM tỷ người 212 quốc gia vùng lãnh thổ lựa chọn sử dụng Các mạng thơng tin di động GSM chuyển vùng (roaming) với Do điện thoại di động GSM mạng GSM khác sử dụng nhiều nơi giới Mạng GSM chuẩn phổ biến cho điện thoại di động tồn giới Khả phủ sóng lớn cho phép người dùng sử dụng điện thoại di động nơi đâu giới 1.2 Thông số kĩ thuật GSM Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự thuê bao châu Âu, có nghĩa thuê bao thâm nhập sang mạng nước khác di chuyển qua biên giới Trạm di động GSM –MS (GSM Mobile Station) phải có khả trao đổi thông tin nơi vùng phủ sóng quốc tế  Về khả phục vụ : Hệ thống thiết kế cho MS dùng tất nước có mạng.Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép linh hoạt lớn cho loại dịch vụ khác liên quan tới mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN) Tạo hệ thống phục vụ cho MS tầu viễn dương mạng mở rộng cho dịch vụ di động mặt đất  Về chất lượng phục vụ an toàn bảo mật: Chất lượng thoại GSM phải có chất lượng hệ thống di động tương tự trước điều kiện vận hành thực tế Hệ thống có khả mật mã hố thơng tin người dùng mà khơng ảnh hưởng đến hệ thống không ảnh hưởng đến thuê bao khác không dùng đến khả  Về sử dụng tần số : Hệ thống cho phép mức độ cao hiệu dải tần mà phục vụ vùng thành thị nông thôn dịch vụ phát triển – Dải tần số hoạt động 890-915 935-960 Mhz Hệ thống GSM 900Mhz phải tồn với hệ thống dung 900Mhz trước Cấu trúc hệ thống mạng GSM 2.1 Tổng quan cấu trúc GSM Mơ hình hệ thống GSM Một hệ thống GSM chia thành nhiều phân hệ sau đây: o Trạm di động (MS: Mobile Station) o Phân hệ trạm gốc (BSS: Base Station Subsystem) o Phân hệ chuyển mạch (SS: Switching Subsystem) o Phân hệ khai thác (OSS: Operation Subsystem) 2.2 2.2.1 Phân tích thành phần hệ thống GSM Trạm di động (MS: Mobile Station) Trạm di động thiết bị mà người sử dụng thường xun nhìn thấy hệ thống MS là: máy cầm tay, máy xách tay hay máy đặt tơ Ngồi việc chứa chức vơ tuyến chung xử lý cho giao diện vô tuyến MS phải cung cấp giao diện với người sử dụng (như micrơ, loa, hiển thị, bàn phím để quản lý gọi) giao diện với môt số thiết bị khác (như giao diện với máy tính cá nhân, Fax…) Hiện nay, người ta cố gắng sản xuất thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động Ba chức MS: - Thiết bị đầu cuối thực chức không liên quan đến mạng GSM - Kết cuối trạm di động thực chức liên quan đến truyền dẫn giao diện vô tuyến - Bộ thích ứng đầu cuối làm việc cửa nối thông thiêt bị đầu cuối với kết cuối di động Cần sử dụng thích ứng đầu cuối giao diện trạm di động tuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối, thiết bị đầu cuối lại giao diện đầu cuối – modem - Máy di động MS gồm hai phần: Module nhận dạng thuê bao SIM( Subscriber Identity Module) thiết bị di động ME (Mobile Equipment) Để đăng ký quản lý thuê bao, thuê bao phải có phận gọi SIM SIM module riêng tiêu chuẩn hoá GSM Tất phận thu, phát, báo hiệu tạo thành thiết bị ME ME không chứa tham số liên quan đến khách hàng, mà tất thông tin lưu trữ SIM SIM thường chế tạo vi mạch chuyên dụng gắn thẻ gọi Simcard Simcard rút cắm vào MS Sim đảm nhiệm chức sau: - Lưu giữ khoá nhận thực thuê bao Ki với số nhận dạng trạm di động quốc tế IMSI nhằm thực thủ tục nhận thực mật mã hố thơng tin - Khai thác quản lý số nhận dạng cá nhân PIN(Personal IdentityNumber) để bảo vệ quyền sử dụng người sở hữu hợp pháp PIN số gồm từ đến chữ số, nạp nhà khai thác đăng ký lần đầu 2.2.2 Phân hệ trạm gốc (BSS: Base Station Subsystem) BSS thực nhiệm vụ giám sát đường ghép nối vô tuyến, liên kết kênh vô tuyến với máy phát quản lý cấu hình kênh Đó là: - Điều khiển thay đổi tần số vô tuyến đường ghép nối (Frequency Hopping) thay đổi công suất phát vơ tuyến - Thực mã hố kênh tín hiệu thoại số, phối hợp tốc độ truyền thơng tin - Quản lý trình Handover - Thực bảo mật kênh vô tuyến Phân hệ BSS gồm hai khối chức năng: điều khiển trạm gốc (BSC: Base Station Controller) trạm thu phát gốc (BTS: Base Transceiver Station) Nếu khoảng cách BSC BTS nhỏ 10m kênh thơng tin kết nối trực tiếp (chế độ Combine), ngược lại phải qua giao diện A-bis (chế độ Remote) Một BSC quản lý nhiều BTS theo cấu hình hỗn hợp loại 2.2.2.1 Trạm thu phát gốc BTS Một BTS bao gồm thiết bị phát thu, anten xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vơ tuyến Có thể coi BTS Modem vơ tuyến phức tạp có thêm số chức khác Một phận quan trọng BTS TRAU (Transcoder and Rate Adapter Unit: khối chuyển đổi mã thích ứng tốc độ) TRAU thiết bị mà q trình mã hố giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM tiến hành, thực thích ứng tốc độ trường hợp truyền số liệu TRAU phận BTS, đặt cách xa BTS chí nhiều trường hợp đặt BSC MSC BTS có chức sau: - Quản lý lớp vật lý truyền dẫn vô tuyến - Quản lý giao thức cho liên kết số liệu MS BSC - Vận hành bảo dưỡng trạm BTS - Cung cấp thiết bị truyền dẫn ghép kênh nối giao tiếp A-bis 2.2.2.2 Bộ điều khiển trạm gốc BSC BSC có nhiệm vụ quản lý tất giao diện vô tuyến qua lệnh điều khiển từ xa BTS MS Các lệnh chủ yếu lệnh ấn định, giải phóng kênh vơ tuyến quản lý chuyển giao (Handover) Một phía BSC nối với BTS cịn phía nối với MSC SS Trong thực tế, BSC tổng đài nhỏ có khả tính tốn đáng kể Một BSC quản lý vài chục BTS tuỳ theo lưu lượng BTS Giao diện BSC MSC giao diện A, cịn giao diện với BTS giao diện A-bis Nhân viên khai thác từ trung tâm khai thác bảo dưỡng OMC nạp phần mềm liệu xuống BSC, thực số chức khai thác bảo dưỡng, hiển thị cấu hình BSC BSC thu thập số liệu đo từ BTS BIE (Base Station Interface Equipment: Thiết bị giao diện trạm gốc), lưu trữ chúng nhớ cung cấp chúng cho OMC theo yêu cầu 2.2.2.3 Bộ chuyển đổi mã thích ứng tốc độ TRAU Trong GSM, tín hiệu thoại giao diện vơ tuyến mã hố tốc độ 13Kbps sử dụng mã hố tiền định tuyến LPC Để thích ứng tốc độ tốc độ mạng hội thoại cố định PSTN cần có chuyển đổi mã TRAU để chuyển đổi 13Kbps PCM MS MSC TRAU đặt BTS, BSC MSC Để giảm thiểu chi phí truyền dẫn, thường TRAU đặt MSC Khi cần thêm báo hiệu bổ xung vào tiếng thoại 13Kbps để truyền thông tin điều khiển từ chuyển đổi mã từ xa đặt BTS đến TRAU 2.2.3 Phân hệ chuyển mạch SS: Switching Subsystem Hệ thống chuyển mạch bao gồm chức chuyển mạch GSM sở liệu cần thiết cho số liệu thuê bao quản lý di động thuê bao Chức SS quản lý thơng tin người sử dụng mạng GSM với với mạng khác Hệ thống chuyển mạch SS bao gồm khối chức sau: - Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC: Mobile Services Switching Center) - Bộ ghi định vị tạm trú (VLR: Visitor Location Register) - Bộ ghi định vị thường trú (HLR: Home Location Register) - Trung tâm nhận thực (AUC: Authentication Center) - Bộ nhận dạng thiết bị (EIR: Equipment Identity Register) - Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng (GMSC: Gateway Mobile Services Switching Center) 2.2.3.1 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng MSC Ở SS, chức chuyển mạch MSC thực Nhiệm vụ MSC điều phối việc thiết lập gọi đến người sử dụng mạng GSM Một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngồi MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng gọi MSC cổng Việc giao tiếp với mạng ngồi để đảm bảo thơng tin cho người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng (các chức tương tác IWF: Interworking Function) SS cần giao tiếp với mạng để sử dụng khả truyền tải mạng cho việc truyền tải số liệu người sử dụng báo hiệu phần tử mạng GSM MSC thường tổng đài lớn điều khiển quản lý số điều khiển trạm gốc Để kết nối MSC với số mạng khác, cần phải thích ứng đặc điểm truyền dẫn GSM với mạng Các thích ứng gọi chức tương tác IWF (Interworking Function) bao gồm thiết bị để thích ứng giao thức truyền dẫn Nó cho phép kết nối với mạng: PSPDN (Packet Switched Public Data Network: mạng số liệu cơng cộng chuyển mạch gói), hay CSPDN (Circuit Switched Public Data Network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh), tồn mạng khác đơn PSTN hay ISDN IWF thực chức MSC hay thiết bị riêng, trường hợp hai giao tiếp MSC IWF để mở Để thiết lập gọi đến người sử dụng GSM, trước hết gọi phải định tuyến đến tổng đài cổng GMSC mà không cần biết đến thời thuê bao đâu Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấy thơng tin vị trí th bao định tuyến gọi đến tổng đài quản lý thuê bao thời điểm thời (MSC tạm trú) Để trước hêt tổng đài cổng phải dựa số thoại danh bạ thuê bao để tìm HLR cần thiết hỏi HLR Tổng đài cổng có giao diện với mạng bên ngồi với mạng GSM Về phương diện kinh tế, khơng phải tổng đài cổng đứng riêng mà thường kết hợp với MSC 2.2.3.2 Bộ ghi định vị thường trú HLR Là sở liệu quan trọng mạng GSM, lưu trữ số liệu địa nhận dạng thông số nhận thực thuê bao mạng Các thông tin lưu trữ HLR gồm: nhận dạng thuê bao IMSI, MSISDN, VLR thời, trạng thái thuê bao, khoá nhận thực chức nhận thực, số lưu động trạm di động MSRN HLR chứa sở liệu bậc cao tất thuê bao GSM Những liệu truy nhập từ xa MSC VLR mạng 2.2.3.3 Bộ định vị tạm trú VLR VLR sở liệu thứ hai mạng GSM Nó nối với hay nhiều MSC có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao thuê bao nằm vùng phục vụ MSC tương ứng đồng thời lưu giữ số liệu vị trí th bao nói mức độ xác HLR Các chức VLR thường liên kết với chức MSC 2.2.3.4 Trung tâm nhận thực AUC AUC quản lý thông tin nhận thực mật mã liên quan đến cá nhân thuê bao dựa khố nhận dạng bí mật Ki để đảm bảo toàn số liệu cho thuê bao phép Khoá lưu giữ vĩnh cửu bí mật nhớ MS Bộ nhớ có dang Simcard rút cắm lại AUC đặt HLR MSC độc lập với hai Khi đăng ký thuê bao, khoá nhận thực Ki ghi nhớ vào Simcard thuê bao với IMSI Đồng thời khoá nhận thực Ki lưu giữ trung tâm nhận thực AUC để tạo ba thơng số cần thiết cho q trình nhận thực mật mã hoá: - Số ngẫu nhiên RAND - Mật SRES tạo từ Ki số ngẫu nhiên RAND thuật toán A3 - Khoá mật mã Kc tạo từ Ki số ngẫu nhiên RAND thuật tốn A8 2.2.3.5 Bộ đăng kí nhận dạng thiết bị EIR Quản lý thiết bị di động thực đăng ký nhận dạng thiết bị EIR EIR lưu giữ tất liệu liên quan đến phần thiết bị di động ME trạm di động MS EIR nối với MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm tra phép thiết bị cách so sánh tham số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity) thuê bao gửi tới thiết lập thơng tin với số IMEI lưu giữ EIR phịng trường hợp thiết bị đầu cuối bị đánh cắp, so sánh khơng thiết bị truy nhập vào mạng 2.2.4 Phân hệ khai thác OSS Phân hệ khai thác OSS thực ba chức sau:  Khai thác bảo dưỡng mạng: Khai thác hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi mạng như: tải hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao hai ô…, nhờ nhà khai thác giám sát tồn chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng kịp thời xử lý cố Khai thác bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm vấn đề xuất thời điểm tại, để chuẩn bị lưu lượng cho tương lai, để tăng vùng phủ Ở hệ thống viễn thông đại, khai thác thực máy tính tập trung trạm Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị sửa chữa cố hỏng hóc Nó có số quan hệ với khai thác Bảo dưỡng bao gồm hoạt động trường nhằm thay thiết bị có cố Hệ thống khai thác bảo dưỡng xây dựng nguyên lý TMN (Telecommunication Management Network: Mạng quản lý viễn thông) Lúc này, mặt hệ thống khai thác bảo dưỡng nối đến phần tử mạng viễn thông ( MSC, BSC, HLR phần tử mạng khác trừ BTS, thâm nhập đến BTS thực qua BSC) Mặt khác, hệ thống khai thác bảo dưỡng lại nối đến máy tính chủ đóng vai trị giao tiếp người máy Theo tiêu chuẩn GSM, hệ thống gọi OMC (Operation and Maintenance Center: Trung tâm khai thác bảo dưỡng)  Quản lý thuê bao: Bao gồm hoạt động quản lý đăng ký thuê bao Nhiệm vụ nhập xóa thuê bao khỏi mạng Đăng ký thuê bao phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ tính bổ sung Nhà khai thác phải thâm nhập tất thơng số nói Một nhiệm vụ quan trọng khác khai thác tính cước gọi Cước phí phải tính gửi đến thuê bao Quản lý thuê bao GSM liên quan đến HLR số thiết bị OSS riêng chẳng hạn mạng nối HLR với thiết bị giao tiếp người máy trung tâm giao dịch với th bao Simcard đóng vai trị phận hệ thống quản lý thuê bao  Quản lý thiết bị di động: Quản lý thiết bị di động đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực EIR lưu giữ tất liệu liên quan đến trạm di động MS EIR nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra phép thiết bị Một thiết bị không phép bị cấm Trong hệ thống GSM, EIR coi hệ thống SS Chức GSM  GSM mạng chuẩn phổ biến cho điện thoại di động (ĐTDĐ) giới Các dòng điện thoại Samsung, iphone, oppo,… sử dụng chuẩn mạng  Khả phủ sóng rộng khắp nơi giúp mạng GSM trở nên phổ biến giới, cho phép người dùng sử dụng ĐTDĐ họ nhiều vùng giới  Nó coi hệ thống mạng thông tin di động hệ thứ hai (second generation, 2G)  GSM chuẩn mở, phát triển 3rd Generation Partnership Project (3GPP)  Đứng phía khách hàng, lợi GSM chất lượng gọi tốt hơn, giá thành thấp dịch vụ tin nhắn tốt  Mạng GSM cho phép nhà điều hành mạng cung cấp dịch vụ đâu  Công nghệ 4G LTE để truyền tải liệu Internet, cịn liệu giọng nói đường GSM truyền thống TÀI LIỆU THAM KHẢO   https://123docz.net//document/276088-mang-gsm.htm Kommunikationssysteme (KSy) - Block 12 Global System for Mobile Communications Global System for Mobile Communications Dr Andreas Steffen Hans Weibel Œ2000 Zürcher Hochschule Winterthur ... MỤC LỤC 1.Giới thiệu mạng GSM 1.1 Khái niệm GSM 1.2 Thông số kĩ thuật GSM 2.Cấu trúc hệ thống mạng GSM 2.1 Tổng quan cấu trúc GSM 2.2 Phân tích thành phần GSM 2.2.1 Trạm di động MS 2.2.2 Phân hệ... sử dụng Các mạng thông tin di động GSM chuyển vùng (roaming) với Do điện thoại di động GSM mạng GSM khác sử dụng nhiều nơi giới Mạng GSM chuẩn phổ biến cho điện thoại di động toàn giới Khả phủ... Chức GSM Giới thiệu mạng GSM: 1.1 Khái niệm GSM GSM tên viết tắt cụm từ tiếng anh Global System for Mobile Communication Có nghĩa hệ thống toàn cầu dành riêng cho việc liên lạc di động Mạng GSM