Phân tích chuyển giao trong mạng GSM

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp ngành viễn thông Phân tích chuyển giao trong mạng GSM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Hữu Thành

PHÂN TÍCH CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG GSM

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUYNgành: Điện Tử - Viễn Thông

Cán bộ hướng dẫn: Ths Nguyễn Quốc Tuấn

Cán bộ phản biện : PGS.TS Vương Đạo Vi

HÀ NỘI - 2008

1.1.2 Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identuty Module) 7

1.1.3 Trạm thu phát cơ sở BTS (Base Transceiver Station) 7

1.1.4 Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station controller) 7

1.1.5 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC 8

1.1.6 Bộ ghi định vị thường trú HLR 8

1.1.7 Bộ ghi định vị tạm trú VLR 8

1.1.8 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR 8

1.1.9 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC 9

1.1.10 Điều khiển quản lý và bảo dưỡng OMC 9

1.1.11 Các giao diện trong mạng GSM 9

GIAO THỨC BÁO HIỆU MẠNG GSM 29

2.1 GIAO THỨC BÁO HIỆU 29

2.1.1 Giao diện A 30

2.1.2 Giao diện Abis 33

2.1.3 Giao diện Air/Um 42

2.2.4 Bắt đầu cuộc gọi 61

a Bắt đầu cuộc gọi trong BSS 61

b Bắt đầu cuộc gọi trong NSS 67

2.2.5 Cuộc gọi từ đầu cuối di động 69

a Đầu cuối di động gọi trong BSS 69

b Đầu cuối di động gọi trong NSS 75

Chương 3 77

CHUYỂN GIAO MẠNG GSM 77

3.1 CÁC LOẠI CHUYỂN GIAO 78

3.1.1 Trong BTS 78

3.1.2 Chuyển giao trong cùng BSC 78

3.1.3 Chuyển giao trong cùng MSC 79

3.1.4 Chuyển giao giữa các MSC 79

3.3.4 Giải phóng cuộc gọi 90

3.4 ỨNG DỤNG SDL ĐỂ PHÂN TÍCH CHUYỂN GIAO 91

MỞ ĐẦU

Ngày nay thông tin liên lạc đả trở thành một nhu cầu quan trọng trong cuộc sống của chúng ta Ngoài các dịch vụ mà các điện thoại cố định có như: truyền thoại, nhắn tin, Fax, dữ liệu, …vv Thông tin di động còn cung cấp các tính năng ưu việt của nó ở chất lượng dịch vụ, tính bảo mật thông tin, thiết bị nhỏ gọn, linh hoạt trong việc di chuyển, và các dịch vụ ngày càng đa dạng như 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 Cùng với sự phát triển của ngành thông tin liên lạc thì ngành công nghiệp viễn thông đả phát triển mạnh mẻ và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác Để đáp ứng nhu cầu của khách hành các nhà cung cấp dịch vụ đả liên tục nâng cấp hệ thống mạng, chất lượng đường truyền, và đa dạng các dịch vụ, đồng thời giảm cước dịch vụ, những điều này đả mang lại cho họ một số lượng thuê bao khổng lồ và tăng nhanh Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ như viettel, vinaphone, mobilephone đang có nguy cơ cháy số Một ví dụ: Viettel có 5.555 trạm BTS Từ đầu năm 2007 đến nay, Viettel đã xây dựng thêm hơn 2.500 trạm phát sóng và đến cuối năm 2007 số trạm BTS của Viettel sẽ là 7.000 trạm

Một công nghệ quan trọng nhất và được sử dụng phổ biến nhất không chỉ ở Việt

Nam mà còn các nước trên thế giới là công nghệ GSM (Global System for Mobile

communication-Hệ thống thông tin di động toàn cầu) Ở Việt Nam hiện nay những nhà

cung cấp dịch vụ viễn thông lớn như: Vinaphone, MobiFone, Viettel đều sử dụng công

nghệ GSM Được phát triển từ năm 1982 với kỷ thuật đa truy nhập phân chia theo thời

gian (TDMA) một giải pháp tăng dung lượng hệ thống và mã hoá tín hiệu đảm bảo tính an toàn dữ liệu đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ để đáp ứng nhu cầu của hàng triệu khách hàng Hệ thống GSM sử dụng SIMCARD có kích thước nhỏ gọn để cắm vào máy di động mà chỉ có người này mới có thể sử dụng nó tại một thời điểm như một thiết bị nhận dạng an toàn GMS là công nghệ truyền sóng kỹ thuật số, cho phép một số người dùng truy nhập vào cùng một kênh tần số mà không bị kẹt bằng cách định vị những khe thời gian duy nhất cho mỗi người dùng trong mỗi kênh Song song cùng tồn tại và phát triển với công nghệ GSM còn có các công nghệ khác như CDMA (công nghệ đa truy cập theo mã) cũng là một công nghệ tiên tiến và là đối thủ của GSM trong lính vực công nghệ truyền thông di động, hiện ở Việt Nam công nghệ này đang được các nhà khai thác dịch vụ như: S-Fone, Hà Nội Telecom, ETC Công nghệ GSM đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA Đây cũng chính là lý do CDMA chưa được phát triển rộng rãi tại Việt Nam.

Một chức năng để bảo đảm chất lượng truy cập của một cuộc gọi khi con người sử dụng điện thoại di động di chuyển là chuyển giao cuộc gọi Chuyển giao được định nghĩa là chuyển một cuộc gọi trong suốt hiện thời từ một kênh tần số này tới một kênh tần số khác trong khi người sử dụng điện thoại di động di chuyển từ nơi này sang nơi khác Đây là một chức năng quan trọng nhất và thể hiện được đặc tính khác biệt giữa mạng di động và mạng điện thoại cố định vì thế nghiên cứu thủ tục chuyển giao để xây

dựng một mô hình chuyển giao trong thực tế để làm cho chức năng này càng tối ưu và hiệu quả là cần thiết Vì vâỵ “Phân tích chi tiết giao thức chuyển giao và xây dựng mô hình chuyển giao trong mạng GSM” là mục đích chính của luận văn này.

Luận văn này bao gồm:

• Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng GSM Mô hình kiến trúc, mô hình mạng và mạng truy cập GSM

• Chương 2: Giao thức báo hiệu điều khiển cuộc gọi trong mạng GSM Thủ tục bật tắt máy di động, việc cập nhật vị trí và các thủ tục điều khiển việc truy cập vào để tiến hành một cuộc gọi

• Chương 3: Chuyển giao trong mạng GSM Giới thiệu về các loại chuyển giao có thể xảy ra trong mạng Các giao diện liên quan đến chuyển giao, thủ tục chuyển giao bao gồm các bản tin có liên quan Phân tích chuyển giao dựa trên ngôn ngữ SDL, dựa trên ngôn ngữ SDL để thiết kế mô hình chuyển giao sử dụng CPN.

Luận văn này sẻ tâp trung vào xây dựng mô hình chuyển giao trong mạng GSM Chúng ta sẻ đi phân tích các giao diện có liên quan tới quá trình chuyển giao và sử dụng một ngôn ngữ thường dùng để phân tích các giao thức trong mạng viễn thông là SDL để đi sâu phân tích chi tiết các quá trình thủ tục để chuyển giao một cuộc gọi Sau đó là việc xây dựng mô hình CPN của các quá trình chuyển giao trong cùng một MSC Cuối cùng không thể thiếu là việc đánh giá mô tính hiệu quả của mô hình, những công việc đả làm được, những vấn đề còn thiếu sót và hướng phát triển trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Quốc Tuấn, người đả nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo, cung cấp cho em nhiều tài liệu bổ ích giúp em cũng cố thêm kiến thức và đi tới hoàn thành luận văn này Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đả dạy dổ cho em nhiều kiến thức cơ bản bổ ích cũng như cho em các kiến thức chuyên môn trong suốt 4 năm học tại trường Đại Học Công Nghệ, cảm ơn các thầy cô giáo đả tạo điều kiện thuận lợi và giúp em hoàn thành khoá luận này Cuối cùng xin chân thành cảm ơn các bạn học đả nhiệt tình giúp đở tôi trong 4 năm học và giúp tôi hoàn thành khoá luận này.

Chương 1

TỔNG QUAN MẠNG GSM

Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới ra đời đầu tiên ở châu Âu và có tên là GSM Ban

đầu hệ thống này được gọi là “nhóm đặc trách di động” (Group Special Mobile) theo tên gọi của một nhóm được CEPT cử ra nghiên cứu tiêu chuẩn Sau đó để tiện cho việc thương mại hoá GSM được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu “Global System

for Mobile communication”.

1.1 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC CỦA GSM

Hệ thống GSM bao gồm 3 hệ thống cơ bản: hệ thống chuyển mạch SS, hệ thống trạm gốc BSS và trạm di động MS Mổi hệ thống này chứa một số chức năng khác nhau như: chuyển mạch, quản lý nhận dạng thiết bị, tính cước vv tạo nên một hệ thống mạng di động liên kết.

Ngoài ra còn có tổng đài cổng GMSC GMSC làm việc như một tổng đài trung kế để giao diện giữa GSM và các mạng khác.

Hình 1: Sơ đồ kiến trúc logic của mạng GSM

1.1.1 Trạm di động MS (Mobile Station)

MS là các thuê bao, nó là các thiết bị mà người dùng sử dụng nó để thông tin với nhau MS có thể là các thiết bị cầm tay nhưđiện thoại di động, máy tính cá nhân, máy Fax ) MS cung cấp các giao diện với người dùng giúp cho việc khai thác các dịch vụ trong mạng.

Các chức năng chính của MS:

• Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên qua đến mạng GSM, FAX

• Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến.

• Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di động.

1.1.2 Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identuty Module)

Hệ thống GSM sử dụng một khoá nhận dạng thuê bao được cất trong một bộ nhớ nhỏ gọn gọi là SIM-CARD Thiết bị này được cắm vào máy di động để thông tin trực tiếp vớí VLR và gián tiếp với HLR.

1.1.3 Trạm thu phát cơ sở BTS (Base Transceiver Station)

Trạm thu phát cơ sở bao gồm các bộ thu phát và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến BTS kết nối với trạm di động thông qua giao diện Abis BTS như một cái Modem vô tuyến phức tạp mà trong nó có một bộ phận quan trọng là bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU TRAU thực hiện việc mã hoá và giãi mã tiếng đặc thù cho hệ thống di động, việc thích ứng tốc độ cho việc truyền dữ liệu TRAU là một bộ phận của BTS nhưng trên thực tế nó có thể đặt cách xa BTS và có thể đặt ở giữa BSC và MSC

Hình 1.1: Kiến trúc logic của BSS

1.1.4 Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station controller)

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS Các lênh này chủ yếu là các lênhj ấn định, giải phóng kênh vô

tuyến và quản lý chuyển giao BSC nối với BTS thông qua giao diện vô tuyến còn nối với MSC thông qua giao diện A Vai trò của nó chủ yếu là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao Một BTS trung bình có thể quản lý được vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của BTS này BSC và BTS cũng có thể kết hợp trong một trạm gốc.

1.1.5 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC

MSC là trung tâm chuyển mạch chính của mạng GSM Nhiệm vụ điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các người sử dụng mạng thông tin di động một mặt giao diện với BSC, mặt khác giao diện với mạng ngoài thông qua GMSC Để thực hiện việc kết nối MSC với mạng ngoài cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn IWF là một thiết bị thích ứng giao thức và truyền dẫn sẻ làm việc đó.

Hình 1.2: Kiến trúc logic của NSS

1.1.6 Bộ ghi định vị thường trú HLR

HLR là thiết bị lưu cơ sở dữ liệu của mạng, các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao, nhưng không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao HLR thường là một máy tính không có khả năng chuyển mạch mà chỉ có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC.

1.1.7 Bộ ghi định vị tạm trú VLR

VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu tạm thời số liệu của thuê bao dang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí hiện thời của thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR Nó giống như chức năng của bộ nhớ Catche.

1.1.8 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR

EIR có chức năng quản lý thiết bị di động, là nơi lưu giữ tất cả dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR được nối với MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị, một thiết bị không được phép sẻ bị cấm.

1.1.9 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC

AUC quản lý việc hoạt động đăng ký thuê bao như nhập hay xoá thêu bao ra khỏi mạng Nó còn có một nhiệm vụ quan trọng khác nữa là tính cước cuộc gọi Cước phí phải được tính và gữi tới thuê bao AUC quản lý thuê bao thông qua một khoá nhận dạng bí mật duy nhất được lưu trong HLR, AUC cũng được giữ vĩnh cữu trong bộ nhớ SIM-CARD.

1.1.10 Điều khiển quản lý và bảo dưỡng OMC

OMC cho phép các nhà khai thác mạng theo dõi và kiểm tra các hành vi trong mạng như: tải của hệ thống, số lượng chuyển giao giữa các cell …vv Nhờ vậy mà họ có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xữ lý sự cố Khai thác và bão dưỡng cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những sự cố xuất hiện, nâng cấp mạng về dung lượng tăng vùng phủ sóng, định vị sữa chữa các sự cố hõng hóc …vv Việc kiểm tra có thể nhờ một thiết bị có khả năng phát hiện một sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra nhờ tính toán Việc thay đổi mạng có thể thực hiện “mềm” qua báo hiệu hay thực hiện cứng đòi hỏi can thiệp trực tiếp tại hiện trường Việc khai thác có thể được thực hiện bằng máy tính đặt trong một trạm.

1.1.11 Các giao diện trong mạng GSM

Hình 1.3: Các giao diện trong mạng GSM

Giới thiệu các giao diện trong mạng GSM:

 BS đến MSC: Là giao diện A để đảm bảo báo hiệu và lưu lượng cả số liệu lẩn tiếng Chi tiết về giao diện sẻ được đề cập trong chương 3

 BST đến BSC: Là giao diện A-bis Là một kết nối cố định bằng cáp thông thường băng thông khoảng 2Mbps Chi tiết về giao diện sẻ được trình bày trong chương 3.

 MSC với PSTN: Là giao diện Ai Giao diện này được định nghĩa như giao diênj tương tự sử dụng hoặc báo hiệu đa tần hai tông (DTMF) hay báo hiệu đa tần (MF).

 MSC với VLR: Là giao diện B. MSC với HLR: Là giao diện C.

 HLR với VLR: Là giao diện D Đây là giao diện báo hiệu giữa HLR và VLR được xây dựng trên cơ sở báo hiệu số 7.

 MSC với ISDN: Là giao diện Di Đây là giao diện số với mạng ISDN.

 MSC với MSC: Là giao diện E Đây là giao diện lưu lượng và báo hiệu giữa các tổng đài của mạng di động.

 MSC với EIR: Là giao diện F.

 VLR với VLR: Là giao diện G Nó được sử dụng khi cần thông tin trao đổi giữa các VLR.

 HLR với AUC: Là giao diện H.

 DMH với MSC: Là giao diện I Đây là giao diện giữa bộ xử lý bản tin dữ liệu với MSC.

 MSC với IWF: Là giao diện F.

 MSC với PLMN: Là giao diện Mi Là giao diện với các mạng thông tin di động khác.

 MSC với OS: Là giao diện O Đây là giao diện với các hệ thống khác.

 MSC với PSPDN: Là giao diện Pi Đây là giao diện giữa MSC với mạng chuyển mạch gói.

 Bộ thích ứng đầu cuối TA với thiết bị đầu cuối TE: Là giao diện R Là giao diện đặc thù cho từng loại đầu cuối được kết nối với MS.

 ISDN với TE: Là giao diện S Nó được định nghĩa ở hệ thống ISDN. BS với MS: Là giao diện Um Đây là giao diện môi trường vô tuyến  PSTN với DCE: Là giao diện W Nó được định nghĩa ở hệ thống PSTN. MSC với AUX: Là giao diện X.

Chương sau ta sẻ đi chi tiết về các giao diện có liên quan tới quá trình chuyển giao và đây cũng là các giao diện hoạt động chính trong mạng GSM.

1.2 MÔ HÌNH MẠNG GSM

Mạng GSM là mạng viễn thông phân cấp được nối theo mô hình cây Các phần tử cùng cấp là ngang hàng (hình 1.4) Có thể chia mạng GSM thành 3 cấp tương ứng:

Hình 1.4: Mô hình mạng phân lớp GSM

 Tổng đài liên tỉnh: Cấp liên tỉnh được hiểu là cấp cao nhất trong mạng GSM Tương đương với cấp liên tỉnh là hệ thống NSS mà đặc trưng là trung tâm chuyển mạch MSC Một MSC có thể quản lý nhiều BSC và được phân nhánh theo hình cây.

 Tổng đài nội hạt: Hệ thống BSS tương đương với một tổng đài nội hạt Trong một BSS một BSC quản lý nhiều BTS Giữa BTS và BSC có thể nối theo hình cây hoặc vòng sử dụng Một BSC tương đương tổng đài host và các BTS tương đương với tổng đài vệ tinh.

Hình 1.5: Kiều nối hình cây và vòng trong BSS

 Tổng đài tập trung thuê bao: Là các thuê bao di động, chúng có thể di chuyển từ cell này sang cell khác và vì vậy một kết nối từ tổng đài nội hạt tới các tổng đài vệ tinh là không cô định, kết nối này là kết nối vô tuyến động.

1.3 MẠNG TRUY CẬP GSM

Mạng GSM sử dụng đa truy cập phân chia theo thời gian kết hợp phân chia theo tần số cho phép tận dụng tối đa băng tần được cấp và tăng dụng lượng hệ thống Xu hướng là tiết kiệm băng thông, thời gian truy cập ngắn và độ trể là nhỏ nhất GSM băng tần 900MHz sử dụng phương pháp truy cập TDMA 8 kênh với độ rộng băng tần sóng mang 200kHz và sử dụng truyền dẫn có liên kết để một MS có thể truy cập vào mạng.

1.3.1 Các kênh vật lý

GSM sử dụng phối hợp giữa đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA).

Phân chia theo tần số:

Phân bố tần số trong GSM được quy định nằm trong khoảng 890 - 960MHz với sự bố trí các kênh tần số như sau:

• Dải tần số tuyến lên (từ MS đến BTS) 25MHz: 890 – 915MHz fL = 890MHz + (0,2MHz) x n trong đó n = 0,1, ,124

• Dải tần đường xuống (từ BTS đến MS) 25MHz: 935 – 960 MHz fU = fL +45MHz

Như vậy có 125 kênh được đánh số tứ 0 -> 124 riêng kênh 0 dành cho khoảng bảo vệ Hệ thống GSM mở rộng (E-GSM) có băng tần rộng thêm 10MHz ở cả hai phía nhờ vậy số kênh tăng thêm 50 kênh Phân bố tần số trong dải này như sau:

• fL = 890MHz +(0,2MHz) x n; n =0,1, 124 và fL = 890MHz +(0,2MHz) x (n – 1024); n=974,975, ,1023

Như vậy có 375 kênh được đánh số từ 412 -> 884

Trong thông tin di động sử dụng phương pháp lặp lại tần số để tránh sự nhiểu các kênh lân cân và tăng dung lượng hệ thống Một phương pháp đặc biệt nữa để tăng dung lượng hệ thống là kết hợp phân chia theo thời gian và phân chia theo tần số Truyền dẩn vô tuyến ở GSM được chia thành các cụm (Burst) chứa hàng trăm bit đã được điều chế Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian có độ rộng là 15/26ms~ 577us ở trong một kênh tần số có độ rộng 200kHz nói trên.

Hình 1.6: Đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA

Mổi kênh tần số cho phép tổ chức các khung truy cập theo thời gian có độ dài 4,62ms, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ 0->7, mỗi khe gọi là một timeslots (TS0, TS1, , TS7).

Hình 1.7a: Tổ chức một khung TDMA

Tất cả các khung TDMA ở tất cả các kênh tần số ở cả đường lên lẩn đường xuống đều được đồng bộ Tuy nhiên để MS sử dụng cùng một khe thời gian cho cả đường lên lẩn đường xuống mà không phải thu phát đồng thời thì khởi đầu của khung TDMA đường lên trể 3 timeslots.

Hình 1.7b: Phân khung TDMA

- Cụm hiệu chỉnh tần số (FB: Frequency Correction Bits): Cụm này được sử dụng để đồng bộ tần số cho trạm di động Cụm chứa 142 bit cố định bằng 0 để tạo ra dịch tần số +67,7kHz trên tần số định danh, 2 cặp 3 bit đuôi 000 chuổi bít không này sau khi sau khi điều chế GMSK cho một sóng hình sin hoàn toàn quanh tần số 68kHz cao hơn tần số sóng mang RF, 8.25 bit dùng cho khoảng bảo vệ.

- Cụm đồng bộ (SB: Synchronisation Burst): cụm này dùng để đồng bộ thời gian cho trạm di động Cụm chứa 2*39 bit thông tin được mật mã hóa để mang thông tin chi tiết về cấu trúc khung (về số khung (FN)) của khung TDMA và BSIC (Base Station Identity Code), 2 căp 3 bit đuôi 000 để đảm báo bắt đầu và kết thúc của khung mang thông tin cấn thiết, burst đồng bộ là burst đầu tiên mà MS giải điều chế vì lý do này mà chuổi hướng dẩn kéo dài 64 bit và nó cũng cho phép lớn hơn độ rộng trể đa đường, thêm khoảng bảo vệ 8,25 bit.

- Cụm truy nhập (AB: Access Burst): cụm này được sử dụng bởi MS để truy nhập ngẫu nhiên khởi tạo mạng và chuyển giao Nó là burst đầu tiên của đường lên mà BTS sẻ giải điều chế từ một MS đặc thù Cùng với burst đồng bộcụm chứa 41 bit hướng dẫn để kéo dài thoải mái quá trình giải điều chế,

cụm chứa 36 bit thông tin, 8 bit đuôi đầu, 3 bit đuôi cuối và khoảng bảo vệ 68,25 bit để bù trể cho sự lan truyền giữa MS và BTS và cũng để phù hợp với cấu trúc một cụm cho một khe thời gian.

Hình 1.8: Khuôn dạng các burst trong GSM

- Cụm giả (DB: Dummy Burst): Cụm giả được phát đi từ BTS trong một số trường hợp để lấp kín những khe thời gian không hoạt động trên kênh BCCH Cụm không mang thông tin và có cấu trúc giống như NB nhưng các bít mật mã được thay thế bằng các bit hỗn hợp.

Tổ chức khung đa khung siêu khung:

Mổi khung TDMA cho một sóng mang Một khung có 8 khe thời gian được đánh số từ 0 đến 7 Nguyên lý mật mã hoá trong hệ thống GSM dùng một thông số là số khung TDMA Vì vậy trạm thu phát gốc phải đánh số các khung ở dạng chu trình (không thể đánh số khung đến vô tận) Số này còn được sử dụng trong thuật toán nhảy tần Số được chọn là 2715648 tương ứng 3 giờ 28 phút 53 giây 760 ms Cấu trúc này được gọi là siêu siêu khung Một siêu siêu khung được chia thành 2048 siêu khung với khoảng thời gian 6 phút 12 giây Siêu khung được chia thành các đa khung.

Có hai loại đa khung:

 Đa khung 26 khung, đa khung này sử dụng cho kênh TCH, SACCH, FACCH và 51 đa khung hợp thành một siêu khung.

 Ở đa khung điều khiển 51 khung để đảm bảo bất kỳ thuê bao GSM nào (ở tế bào phục vụ hay lân cận) có thể nhận được SCH và FCCH từ BCH mà không phụ thuộc vào việc nó đang dùng khung nào và khe thời gian nào Đa khung

này sử dụng cho các kênh báo hiệu logic BCCH, CCCH, FCCH và SACCH (26 đa khung thành 1 siêu khung)

Cấu trúc khung cho kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/F) chiếm dữ một khe thời gian trong mỗi khung TDMA (hình 1.9a) 12 khe trong mỗi khung TDMA đầu tiên của đa khung 26 được sử dụng cho kênh TCH/F từ khung 0 tới 11 khe thời gian tiếp (khe 12 trong đa khung 26) theo không được sử dụng cho truyền dẫn, là khoảng thời gian rổi khe “idle” 12 khe tiếp theo trong mỗi khung TDMA của đa khung được sử dụng cho TCH/F Khe thời gian còn lại của đa khung 26 được sử dụng cho kênh SACCH Hình 1.9a có thể được ứng dụng cho cả đường lên và đường xuống Chú ý cấu trúc đa khung thể hiện trong hình 1.9a chỉ gắn cho một kênh TCH/F chiếm giữ những khe thời gian được đánh số lẻ Trên khe thời gian được đánh số chẵn và khe thời gian 0 là vị trí của khe thời gian rỗi và khe dành cho kênh SACCH được trao đổi

Chú ý rằng hình 2.9a chỉ thể hiện những khe thời gian từ cùng kênh vật lý, các khe thời gian từ 7 kênh vật lý còn lại đả bị bỏ quên.

Hình 1.10b thể hiện ghép 2 kênh lưu lượng bán tốc TCH1&TCH0 lên các khung TDMA của đa khung 26, khung thứ 13 và 16 dành cho kênh SACCH0 và SACCH1

Hình 1.9a: Cấu trúc khung cho kênh lưu lượng toàn tốc TCH/F trên khe thời gian 1

Cấu trúc khung cho kênh điều khiển đặt trên khe thời gian TS0 thể hiện trên hình 1.9b Trong trường hợp đa khung 51 khung với thời gian 235ms Toàn bộ các kênh ngoại trừ kênh TCH đều sử dụng cấu trúc đa khung 51 khung Mỗi đa khung điều khiển BCCH/CCCH có độ dài là 235.4 ms(gồm 51 khung TDMA) được mapping trên TS0 của sóng mang có chứa kênh BCCH/CCCH (không phải sóng mang nào cũng có chứa tổ

hợp kênh này), ở đa khung 51 này có độ dài 235.4 ms sẽ có 5 TS dùng để phát thông tin trên kênh SCH, cụ thể TS0 của khung thứ 1 (bắt đầu tính từ khung thứ 0 đến khung thứ 50), TS0 của khung thứ 11, TS0 của khung thứ 21, 31, 41 Tức là cứ sau 10 khung (10 x 4.615 ms) thì thông tin trên SCH (có chứa số hiệu khung) lại được phát 1lần.

Kênh logic FACCH được dùng khi có yêu cầu chuyển giao khi đang hội thoại, nó chiếm 20 ms trên chính kênh TCH được cấp cho MS và vì vậy nó được gọi là "stealing".

Thời gian tối đa phải chờ của MS để thu được số khung TDMA sẽ là khoảng thời gian từ sau TS0 cuối cùng trong đa khung 51 của kênh vật lý BCCH (TS0 trên sóng mang BCCH của trạm BS) dành cho kênh logic SCH, cho tới hết TS0 dành cho SCH đầu tiên của đa khung 51 của kênh vật lý BCCH tiếp theo.

Do yêu cầu điều khiển chuyển giao khi đang diễn ra đàm thoại cần phải nhanh mà kênh SACCH thì lại có tốc độ quá chậm (chỉ có 1 lần trong đa khung 26 của kênh TCH, chỉ đủ để:

• Đường xuống, BS gửi yêu cầu điều khiển công suất và time alignment cho MS;

• Đường lên, MS gửi các náo cáo đo lường công suất cho BS phục vụ điều khiển HO và tính toán điều khiển công suất/time alignment).

Do đó người ta "lấy cắp" kênh TCH 2 chiều đang đàm thoại để truyền tin tức điều khiển HO (vì lúc này thì chất lượng thoại lúc đó cũng đã quá kém rồi, có để kênh TCH thì cũng không truyền thoại tiếp nữa) Việc lấy cắp được diễn ra như sau:

• Ngắt không truyền tin tức cuộc gọi trên kênh logic TCH;

• Truyền tín hiệu điều khiển chuyển giao trên kênh đó

Việc phân biệt khi nào kênh TCH là TCH, khi nào là FACCH thực hiện nhờ cờ lấy cắp là 1 bít nằm sau đoạn 56 bít mã thông tin thứ nhất trong burst TCH (nằm ngay trước 26 bít training) và 1 bít nằm đầu ngay trước đoạn 56 bít mã thông tin thứ hai trong burst TCH (ngay sau 26 bit training) Bít cờ ăn cắp này là 1 thì kênh TCH lúc đó đang dùng cho FACCH còn là 0 thì đang là TCH (đang truyền các dữ liệu thoại của cuộc đàm thoại).

Hình 1.9b: Cấu trúc khung cho một nhóm kênh điều khiển trên TS0

Kênh lưu lượng (TCH):

Các kênh lưu lượng được phân thành 2 loại: toàn tốc (13kbps) hay bán tốc (6,5kbps) Ở chế độ toàn tốc người dùng chiếm hoàn toàn một khe thời gian ở các khung liên tiếp, trong khi ở bán tốc khe được phân cách khung TCH không được dùng ở TS0 (khe này dành cho điều khiển) 26 khung liên tiếp tạo nên đa khung (trong đó khung thứ 13 luôn chứa dữ liệu điều khiển liên kết chậm, khung thứ 26 là khung rỗi ở chế độ toàn tốc và cũng chứa điều khiển liên tiếp chậm ở chế độ bán tốc).

Hình 1.10b: Tổ chức hai kênh lưu lượng bán tốc TCH0/H và TCH1/H lên đa khung 26

 Tiếng nói: tiếng nói được số hoá tại tốc độ 13kbps, thêm mã kênh sẻ có tốc độ 22,8kbps Với bán tốc tốc độ số hoá 6,5kbps khi bổ sung thêm mã kênh cho tốc độ 11,4kbps.

 Dữ liệu toàn tốc: 12kbps (cho tốc độ luồng cơ sở 9,6kbps), 6kbps (cho tốc độ luồng cơ sở 4,8kbps), 3,6kbps (cho tốc độ luồng cơ sở bé hơn hoặc bằng 2,4kbps).

Các kênh điều khiển:

Có 3 loại kênh điều khiển chính: Kênh quảng bá BCH, kênh điều khiển chung CCCH, kênh điểu khiển riêng DCCH.

Kênh quảng bá BCH: có 3 loại kênh tách biệt

• Các kênh hiệu chỉnh tần số FCCH: Các kênh này mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho các trạm MS Chứa ở khung 0 và lặp lại sau 10 khung nhằm đồng bộ tần số nội của máy di động MS với tần số trạm gốc BTS.

• Kênh điểu khiển quảng bá BCCH: Chỉ sử dụng ở đường xuống Kênh này hát quảng bá các thông tin về tế bào (Cell), mạng và tình trạng hiện tại của tế bào (cấu trúc điều khiển, các kênh lưu lượng còn rỗi, đang sử dụng hoặc nghẽn) Từ khung thứ 2 đến khung thứ 5 trong một đa khung (4/51 khung) chứa dữ liệu BCCH trên khe TS0.

• Kênh đồng bộ SCH: Kênh này mang thông tin để đồng bộ khung cho trạm di động MS và nhận dạng BTS, nó chỉ sử dụng cho đường xuống Khung SCH chứa tại các khung ngay sau FCCH cho phép máy di động xác định trạm cơ

sở phục vụ và đồng bộ khung với trạm gốc Số khung FN từ 0->2715647 được gửi cùng mã xác định trạm gốc (BSIC) trong dữ liệu SCH Vì máy di động có thể ở xa BS đến 30Km nên nó thường phải hiệu chỉnh thời gian để đồng bộ đồng hồ với trạm gốc (tính đến thời gian truyền sóng) BS phát lệnh bổ sung thời gian đến MS thông qua SCH.

Hình 1.10c: Tổ chức các kênh điều khiển quảng bá lên các khe thời gian

Các kênh điều khiển dùng chung CCCH: Có 3 loại

• Kênh tìm gọi PCH: Cung cấp tin nhắn từ BTS đến MS để tìm gọi MS, PCH phát IMSI của thuê bao và yêu cầu đáp lại trên tuyến lên RACH Ngoài ra PCH cũng có thể được dùng cung cấp các bản tin quảng bá tế bào dạng ASCII.

• Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH: Kênh này tuyến lên để máy di động MS đáp lại lời tìm gọi hoặc để MS đề nghị khởi phát cuộc gọi (cung cấp một kênh) RACH dùng sơ đồ truy cập ALOHA và có thể chiếm tất cả các khung nằm ở TS0 Khi thiết lập dịch vụ BS phải trả lời RACH bằng cách phân kênh và dành một kênh điều khiển dành riêng SDCCH để báo hiệu cuộc gọi Kết nối này (số hiệu kênh được phân) được thông báo qua AGCH.

• Kênh trợ giúp truy cập AGCH: Hoạt động trên tuyến xuống, dữ liệu được mang chỉ thị cho MS chuyển sang một kênh vật lý xác định (một khe trong

một ARFCN) với một kênh điều khiển riêng AGCH là bản tin CCCH cuối cùng gữi từ trạm BS trước khi MS ngẳt khỏi kênh điều khiển (dùng để đáp lại RACH gữi ngược từ khung trước đó).

Kênh điều khiển dành riêng DCCH:

Dùng cho một cuộc gọi cụ thể Cũng có 3 loại giống như kênh lưu lượng có chức năng, dạng thức giống nhau trong cả 2 chiều đồng thời có thể ở bất kỳ khe nào ngoài TS0, bất kỳ ARFCN nào.

• Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH: mang dữ liệu báo hiệu và hiệu chỉnh kết nối MS và BS ngay trước khi được phân TCH SDCCH đảm bảo rằng MS và BS vẫn được kết nối trong lúc BS và MSC kiểm tra thuê bao và phân TCH SDCCH được dùng đê gửi bản tin nhận thực, báo hiệu cũng như đồng bộ máy di động với cấu trúc khung để chờ TCH, chúng có thể là một kênh vật lý khác hay chiếm TS0 của BCH nếu lúc đó có yêu cầu chậm lưu lượng BCH hoặc CCCH.

• Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH: kênh này liên kết với TCH hay SDCCH, ở tuyến xuống chúng mang thông tin điều khiển đến MS (mức công suất, đặt lại timing) Ở tuyến lên chúng mang thông tin về độ mạnh tín hiệu nhận được, chất lượng kênh TCH cũng như kết quả đo mức BCH từ tế bào lân cận Dữ liệu được mang ở 8 khe (khi có 8 người dùng) trong khung thứ 13 hoặc 26.

• Kênh liên kết nhanh FACCH: mang thông tin khẩn cấp (giống loại bản tin trong SDCCH) xen vào TCH bất kỳ lúc nào (ví dụ khi yêu cầu chuyển giao) bằng cách thay thế vào khe của TCH và đặt lại 2 bit cờ hiệu - cờ lấy lén).

Hình 1.10d: Tổ hợp các kênh logic lên kênh vật lý

1.4 XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG GSM

Hình 1.11 là sơ đồ miêu tả quá trình thu phát tín hiệu trong mạng GSM.

Hình 1.11: Xử lý tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến ở MS

1.4.1 Mã hoá tiếng nói

Tiếng nói được đưa qua bộ lọc thông thấp vào bộ biến đổi A/D để được mã hoá PCM đồng đều với tần số lấy mẫu 8kHz và 13 bit mã hoá cho một mẫu Trước khi vào bộ mã hoá tiếng thì tín hiệu PCM đồng đều 13bit/8000mẫu/s được nhấn mạnh trước (Pre-emphasis) rồi được chia thành các đoạn (khung) 20ms/160mẫu/13bit đưa vào đầu vào của bộ mã hoá Ở đầu ra của bộ mã hoá ta được các khối 20ms mã hoá 260 bit làm cho tốc độ của luồng là 13kbps Nếu tín hiệu đầu vào mạng GSM lấy từ mạng PSTN thì trước hết tín hiệu 8 bit PCM luật A được biến đổi thành 13 bit PCM đồng đều rồi sau đó đưa ra bộ mã hoá để biến đổi thành 13kbps

1.4.2 Mã hoá kênh

Mã hoá kênh trong GSM được sử dụng để hiệu chỉnh và phát hiện lỗi trong luồng thu để giảm tỷ số bit lỗi BER Ở hệ thống thông tin di động người ta sử dụng 2 loại mã kênh khác nhau: mã khối tuyến tính (Linear Block Code) và mã xoắn (Convolutional Code) Mã khối được sử dụng để phát hiện lỗi còn mã xoắn để sửa lỗi.

Mã hoá kênh cho lưu lượng tiếng:

Lối ra của bộ mã hoá tiếng được xếp thành nhóm để chống lỗi dựa vào mức độ quan trọng của bit 260bit/20ms được chia thành 182 bit loại I (các bit được bảo vệ), 78 bit loại II (không được bảo vệ).Trong 128 bit được bảo vệ phân ra 50 bit quan trong nhất Ia sẻ được bảo vệ bằng 3 bit chẵn lẻ (CRC) để phát hiện lỗi Các bit này được tạo ra ở bộ mã hoá khối tuyến tính có đa thức tạo mã: (x) = x3 + x +1 Cho phép phát hiện lỗi trên một khối 50 bit 132 bit tiếp theo cùng với 53 bit trên lại được bổ sung thêm 4 bit zero vào cuối theo hai đa thức :g1(x) = 1 + x3 + x4 và g2(x) = 1 + x + x3 + x4 thành 189 bit được mã xoắn tốc độ ½ tạo nên dãy 378 bit 378 bit này lại được tách ra và xếp đan xen theo kiểu chẵn lẽ: các bít chẵn bít d0,d2 .d180 xếp đầu đến 3 bít CRC rồi tới d181,d179 d1 tiếp theo là 4 bít zero (hình 1.12) Tổ hợp các bít này cùng với 78 bit không quan trọng không được chống lỗi tạo thành khối 456bit/20ms cho tốc độ 22,8 kbps

Hình 1.12: Mã hoá kênh cho tiếng toàn toàn tốc

Mã hoá kênh cho tiếng toàn tốc:

Mã hoá kênh điều khiển: Bản tin điều khiển dài 184 bit được mã lửa dùng đa

thức sinh: G4(x) = (x23 + 1)(x17 + x3 + 1) sẻ cho 184 bit bản tin và 50 bit kiểm tra tiếp theo cộng thêm 4 bit đuôi (để phù hợp với mã xoắn tiếp theo) Tổng cộng là 228 bit được cấp cho bộ mã xoắn ½ kết quả cho 456 bit, tốc độ 22,8kbps.

1.4.3 Đan xen

Để giảm nhiễu cụm trên dữ liệu nhận được 456bit/20ms (tiến nói hay bản tin) được tổ chức lại và được ghép xen theo 8 nữa cụm:

Hình 1.13a: Đan xen tiếng toàn tốc mức 1

Đan xen tiếng toàn tốc mức 1:

Mỗi bán cụm chứa 47 bit Sau đó các bán cụm nói trên được đan xen ở mức hai.

Đan xen mức 2:

Giã sử có 4 cụm giữ liệu A, B, C, D được ghép đan xen với nhau như hình 1.13b Ta thấy 4 bán cụm đầu của một lớp (lớp A) được đặt vào bốn cụm đầu ở các vị trí lẻ, các vị trí chẵn được dành cho ghép xen các bít của 4 bán cụm sau của khối trước đó ( khối D) Bốn bán cụm sau của khối A được đặt vào các vị trí chẵn của bốn cụm sau, các vị trí lẻ để đan xen các bán cụm từ khối B Với cách đan xen này nếu ta mất hẳn một cụm thì mất 12,5% thông tin của một khối bản tin và sau khi sắp xếp lại các bít lỗi sẻ phân tán cách nhau 8 bit Nếu bị lỗi một cụm liên tiếp 10 bit thì khi sắp xếp lại ở phía thu các bit lỗi sẽ phân tán cách nhau 16 bit.

8162432 456 8 khung

142331 454

Hình 1.13b: Đan xen mức 2

1.4.4 Mật mã hoá

Mục đích của việc mật mã hoá dữ liệu là chống sự can thiệp của người thứ 3, hay sự xâm phạm tín hiệu ngoài ý muốn Trong GSM mật mã hóa là không phụ thuộc dữ liệu, nhưng chỉ áp dụng cho cụm thường Mật mã hoá tín hiệu đạt được bằng thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa một chuổi ngẫu nhiên với 114 bit của cụm bình thường, nghĩa là với tất cả các bit thông tin trừ các cờ lấy cắp:

Hình 1.14a: Quá trình mật mã hoá và giải mã

Để giãi mã người ta thực hiện thao tác hoặc loại trừ XOR giữ tín hiệu thu với chuổi ngẫu nhiên Chuổi ngẫu nhiên được tạo ra từ số khung và khoá mật mã Kc theo

A1A17A33 A9A24A41

A4 A20 A36 A12A28A44

B1 A5 B17 A21 B33 A37 B9 A13 B25 A29 B41 A45

C1 B5 C17 B21 C33 B37 C9 B13 C25 B29 C41 B45 B4 A8 B20 A24 B36 A40 B12 A16 B28 A32 B44 A48

C4 B8 C20 B24 C36 B40 C12 B16 C28 B32 C44 B48

thuật toán A5 Thuật toán A3 được dùng để nhận thực MS bằng cách kiểm tra passcode trong SIM và chìa khoá mã Ki tại MS của thuê bao Mẫu tin được gữi từ mạng tới MS là một số ngẫu nhiên 128 bit gọi là RAND Cả A3 lẫn Ki được lưu trong SIM, nó chỉ được đọc từ SIM khi mà đã đựơc cá nhân hoá dưới sự điều khiển của mạng Ki kết hợp với RAND qua thuật toán A3 cho SRES (13 bit).

Hình 1.14b: Quá trình nhận thực và mật mã hóa

1.4.5 Điều chế

Công nghệ điều chế được sử dụng trên kênh vô tuyến trong mạng GSM là khoá dịch pha cực tiểu GMSK Đây là phương pháp băng hẹp dựa trên kỹ thuật điều chế dịch pha với tiêu chuẩn băng thông được sử dụng là BT =0,3 (B là độ rộng băng tần, T khoảng thời gian kéo dài của bit) GMSK là loại điều chế FM số đặc biệt Nền tang của GMSK chính là MSK Mức logic 1 là nguyên nhân của sự dịch pha sóng mang tăng 90o, còn mức logic 0 sẻ là nguyên nhân của sự pha giảm 90o Hay nói cách khác bit 1 và 0 được biểu diễn bằng dịch tần sóng mang RF một lượng 67,708kHz Sự dịch pha là do chuyển dịch tức thòi của tần số sóng mang giữa 2 giá trị khác nhau, f1và f2, do đó MSK là một trường hợp đặc biệt của FSK Tần số f1 và f2 được cho bởi:

Trong đó Rb là tốc độ ký hiệu điều chế ~ 271kbps, fc là tần số sóng mang (tôc độ kênh) chính bằng 4 lần sự dịch tần của sóng mang Để thu được phổ tần số của tín hiệu điều chế luồng bít đưa lên điều chế được đưa qua bộ lọc Gauss Vì thế gọi là điều chế GMSK.

Các bit dữ liệu thứ i di, được mã hoá vi phân bỡi sự biễu diễn cộng modul 2 của bit hiện tại và bit trước đó:

Trong đó là mã hoá vi phân của bit thứ i, di có thể mang giá trị 0 hoặc 1 Dữ liệu điều chế tại đầu vào αi tới bộ điều chế GMSK, được cho bởi:

Dữ liệu điều chế αi sau đó được cho qua bộ lọc liner (tuyến) với đáp ứng xung h(t) cho bởi:

T là chu kỳ bit và B là băng thông của bộ lọc 3dB BT trong GSM là 0,3 ý là mỗi bit được trải dài 3 bit điều chế Kết quả là ISI phải được tách ra tại nơi nhận khi sử dụng môt bộ cân bằng (ví dụ bộ cân bằng Viterbi) Đáp ứng xung h(t) và đáp ứng tần số H(f) của bộ lọc được thể hiện ở hình 1.12a.

Hình 1.15a: Đáp ứng xung h(t) và đáp ứng tần số H(z) của bộ lọc Gauss được sử dụng trong GMSK

Đáp ứng xung của bộ lọc g(t) (hình 1.12b), tín hiệu ở đầu ra của bộ lọc khi một xung có độ rộng T được đưa vào:

Trong đó:

Đáp ứng xung g(t) thể hiện trong hình 1.12b ta nhận thấy nó kéo dài xấp xĩ 3 chu kỳ bit T và biên độ của g(t) là 1.

Hình 2.15b: Đáp ứng xung của bộ lọc GMSK

Hình 2.15c: Đầu ra của bộ lọc băng cơ sở

Tín hiệu tại đầu ra của bộ lọc là tổng của đáp ứng xung cho mỗi bit dữ liệu vào Hình 1.12c là dãy dữ liệu 0010 Tín hiệu này được sử dụng để điều chế tần số của sóng mang Pha của tín hiệu được điều chế φ(t) có thể đã được xác định bởi sự tích hợp các tín hiệu tại đầu ra của bộ lọc:

Trong đó m=1/2 chỉ số điều chế Sự thay đổi của pha giới hạn là π/2 (radians) Tín hiệu sóng mang được điều chế RF có thể được biểu diễn:

Trong đó Ec là năng lượng trên bit điều chế f0 là tần số sóng mang và φ0 là bù pha ngẫu nhiên được duy trì liên tục trong khoảng thời gian của 1 cụm đơn TDMA.

Chương 2

GIAO THỨC BÁO HIỆU MẠNG GSM

Trong phần trên chúng ta đả tổng quan về mạng GSM Phần này chúng ta sẻ tìm hiểu về các giao thức báo hiệu, thủ tục để thiết lập điều khiển và kết thúc một cuộc gọi Chúng ta sẻ đi tìm hiểu chi tiết về các giao diện hoạt động chủ yếu trong quá trình gọi và chuyển giao trong mạng Các giao diện: A, Abis, Air được thể hiện trong hình 3.0.

Hình 2.0: Các giao diện liên quan tới việc chuyển giao trong GSM

2.1 GIAO THỨC BÁO HIỆU

Nhiệm vụ chính của báo hiệu là để thiết lập và xoá kết nối cuộc gọi Ngày nay các ứng dụng mới luôn luôn được thêm vào Trong đó là việc tự động truy cập cơ sở dữ liệu hoặc Các dịch vụ được mở rộng trên một vùng rộng lớn của mạng viễn thông.

Hình 2.1: Giao thức báo hiệu trong mạng GSM

2.1.1 Giao diện A

Trên lớp vật lý, giao diện A bao gồm một hoặc nhiều liên kết PCM giữa MSC và BSC với băng thông khoảng 2Mbps Đặt giữa BSC và MSC là TRAU (Transcoder Adapter Rate Unit) là một thiết bị thích ứng tốc độ, ở đây còn có quá trình mã hoá và giãi mã tiếng một đặc thù trong thông tin di động được tiến hành Vì thế có thể chia giao diện A thành 2 phần như sau:

• Phần thứ nhất giữa BSC và TRAU, nơi dữ liệu tải trọng truyền dẫn vẩn được nén Hình 3.1 thể hiện một cấu hình kênh có thể cho 3 đường trung kế Như trên giao diện Abis, một kênh lưu lượng đơn chỉ chiếm 2 trong số 8 bit của một kênh PCM Điều này giải thích tại sao có thể truyền 4 kênh lưu lượng toàn tốc trên một kênh PCM Không kể đến các TS nơi thông tin báo hiệu được mang Thông tin báo hiệu yêu cầu toàn bộ 64Kbps của kênh.

• Phần thứ hai là giữa TRAU và MSC, tại nơi đó toàn bộ dữ liệu không được nén Bởi vì mổi kênh lưu lượng yêu cầu tất cả 8 bit hoặc chiếm toàn bộ 64Kbps của kênh PCM Vị trí của kênh báo hiệu có thể khác trước và sau TRAU (hình 2.2).

Hình 2.2: Cấu hình kênh có thể giữa BSC và MSC

Giao diện A là giao diện giữa BSC và MSC, nó được xây dựng trên chuẩn giao tiếp đang tồn tại là hệ thống báo hiệu SS7 được sử dụng khắp trong NSS Chuẩn báo hiệu này rất phổ biến trong giao tiếp điện thoại Trong mạng viễn thông PSTN và ISDN Hệ thống báo hiệu kênh chung CSSN07 là tiêu chuẩn toàn cầu để định nghĩa truyền thông bằng liên minh truyền thông quốc tế ITU Phần tiêu chuẩn hoá truyền thông ITU-T Tiêu chuẩn này được định nghĩa thủ tục và giao thức bằng phần tử mạng trong mạng chuyển mạch công cộng PSTN thông tin chuyển mạch qua mạng báo hiệu số 7 tới tế bào (liên kết vô tuyến) và đường dây thiết lập cuộc gọi định tuyến và điều khiển Ở CCSN7 đường báo hiệu tách riêng so với đường tiếng Ở mạng này không nhất thiết có một kênh báo hiệu trên mọi đoạn nối, điều này có nghĩa là các bản tin báo hiệu có thể có các đoạn nối khác với đường dẫn để đến được điểm nhận, để tránh nhầm lẫn người ta gán nhãn cho từng bản tin Kênh báo hiệu có thể chiếm một khe thời gian bất kỳ trên các đường truyền dẫn 2Mbps trừ khe TS0 và được sử dụng để truyền tất cả các báo hiệu của các kênh thoại ở đoạn nối tương ứng Các giao thức được sử dụng trong SS7.

• Thiết lập cuộc gọi cơ sở, quản lý và Haldown

• Dịch vụ klhông dây như dịch vụ thông tin cá nhân (PCS) chuyển giao không giây và nhận thực thuê bao di động

• Di chuyển số định vị LNP

• Miễn thuế cước và dịch vụ đường dây tính cước

• Tăng đặc trưng gọi như định hướng cuộc gọi, tên cuộc gọi và hiển thị số, kết nối người thứ 3

• Truyền thông toàn cầu bảo mật và hiệu quả

Các phần quan trong nhất trong giao thức báo hiệu SS7 trong phạm vi của GSM, được minh hoạ trong hình 2.3.

Hình 2.3: Mô hình phân lớp hệ thống báo hiệu SS7

Chú ý: Phần tô mầu xám liên quan tới các bản tin báo hiệu chuyển giao.

Lớp thấp hơn của ngăn xếp giao thức SS7 (OSI lớp 1-3) được gọi là phần truyền dẫn bản tin MTP Phần SCCP được xem như phần người sử dụng của MTP ẩn mình

một ít trong lớp 3 SCCP cung cấp dịch vụ mạng phi kết nối và kết nối định hướng,

chuyển đổi tên toàn cầu qua mức ba của MTP Tên toàn cầu (GTT: Global Title Translation) là địa chỉ được chuyển đổi bởi SCCP thành mã địa chỉ đích và số hệ thống con Duy nhất hệ thống con nhận dạng ứng dụng tại điểm báo hiệu đích SCCP được sử dụng để chuyển đổi lớp cho dịch vụ cơ sở TCAP.

Đặc trưng báo hiệu GSM trong giao diện A được thực hiện bởi phần ứng dụng hệ thống trạm cơ sở Base Station Subsystem Application Path (BSSAP) Phần này được chia thành 2 lớp: BSSMAP và DTAP BSSMAP điều khiển, quản lý bản tin RR còn DTAP quản lý điều khiển bản tin MM và CC BSSMAP bao gồm các bản tin được trao đổi giữa MSC và BSC mà trên thực tế thì được tiến hành bởi BSC Ví dụ các bản tin PAGING, HND_CMD và RESET DTAP bao gồm tất cả các bản tin trao đổi giữa hệ thống con của NSS và MS Các bản tin này được truyền trong suốt qua BSS ngoại trừ 3 bản tin của MM là LOC_UPD_REQ, IMSI_DET_IND và CM_SERV_REQ Điều này được minh hoạ dưới hình 2.4.

Hình 2.4: Mối liên hệ của bản tin BSSMAP tới báo hiệu trong mạng GSM

Cấu trúc bản tin của BSSAP:

Hình 2.5 mô tả cấu trúc chung của các bản tin BSSAP Toàn bộ bản tin BSSAP gắn vào trong một bản tin SCCP 8 hoặc 16 bit đầu tiên của BSSAP để phân biệt giữa BSSMAP và DTAP Phần đầu của DTAP dài 2 byte và bao gồm tham số phân biệt bản tin (01 = DTAP) và nhận dạng kết nối liên kết dữ liệu (DLCI) 3 bit Header của DLCI nhận dạng điểm truy cập dịch vụ (SAPI), nó được sử dụng trên giao diện Air (SAPI = 0 cho RR, MM và CC; SAPI = 3 cho SMS và SS).

Hình 2.5: Định dạng bản tin BSSAP

Phần Header của BSSMAP chỉ 1 byte và bao gồm chỉ là tham số nhận dạng bản tin (00 = BSSMAP) Trong BSSMAP không có octet DLCI 8 bit chỉ thị độ dài cho biết chiều dài của trường dữ liệu, theo sau header trong cả hai trường hợp BSSMAP và DTAP Hình 2.6 thể hiện cấu trúc bên trong của bản tin BSSMAP.

Hình 2.6: Cấu trúc bên trong của các bản tin BSSMAP

Trên thực tế các tham số theo sau kiểu bản tin MT là tuỳ ý, mổi tham số luôn bao gồm trường nhận dạng yếu tố thông tin IEI, trường chỉ thị độ dài, trường dữ liệu Một số bản tin của BSSMAP: HND_RQD, HND_REQ, HND_RQD_ACK, HND_REQ_ACK, HND_CMD, HND_CMP, HND_FAIL, HND_DET, CLR_CMD, CLR_REQ, CLR_CMP vv.

Giải mã bản tin BSSMAP:

Hình 2.7 thể hiện bản tin CLR_CMD ở cả hệ hex và dạng đả giải mã Những tham số này là 2 yếu tố thông tin: Thông tin Header lớp 3 và cause (lý do):

Hình 2.7: Giải mã bản tin CLR_CMD

 Phần thông tin Header của lớp 3 bao gồm phân biệt giao thức PD và nhận dạng sự giao dịch TI chúng có ý nghĩa là để sử dụng trên giao diện Air.

 Phần 2 Cause (lý do của bản tin) nhận biết lý do tại sao tài nguyên vô tuyến

riêng sẻ được giải phóng Thông thường giá trị là 09 đại diện cho CC, chỉ ra rằng CC yêu cầu giải phóng kết nối khi cuộc gọi kết thúc và 0B chỉ ra rằng chuyển giao thành công.

2.1.2 Giao diện Abis

Giao diện Abis kết nối BTS với BSC Giao diện là phần cố định của mạng và giao tiếp thông qua bởi cáp thông thường Điển hình là một liên kết PSM 30 (cũng như ISDN 30) được sử dụng với 32 kênh mỗi kênh 64kbps, cung cấp băng thông 2Mbps Công nghệ nén cho phép GSM sử dụng các gói lên tới 8 kênh lưu lượng trên một kênh đơn 64kbps Điều này cho phép tới 10 TRXs trong BTS, nhưng một đặc thù cài đặt là

một BTS có 1 đến 4 TRXs Khi sử dụng 2 liên kết ISDN 30, tối đa 16 TRXs có thể được cài đặt trên một BTS Theo mô hình tham chiếu chuẩn OSI thì giao diện Abis sẻ được chia thành 3 lớp hình 2.8:

Lớp 1 của giao diện Abis là kênh D của đường liên kết ISDN 30 ISDN 30 bao gồm 30

kênh B cho lưu lượng (mổi kênh 64 kbps) và một kênh D cho báo hiệu.

Hình 2.8: Ngăn xếp giao thức của giao diện Abis

Lớp 2 Giao thức trên kênh D mạng ISDN được GSM sử dụng giao thức LAPD cho báo

hiệu trên giao diện Abis Các nguyên tắc chung được quy định trong Q.920 (I.440) và các thủ tục được quy định trong Q.921 (I.441) Mục đích của các giao thức LAPD là tạo ra cơ chế truyền số liệu với khả năng đảm bảo không lỗi Hình 2.9a và hình 2.9b là định dạng của khung LAPD kiêu 8 và 128.

 Trường FLAG: 8 bit đầu tiên và cuối cùng của mỗi khung LAPD là trường cờ, cờ mở và cờ đóng Đặc điểm đầu tiên của trường này là luôn được đặt giá trị bằng 01111110 (7EH).

 Trường ADDRESS: Tiếp theo cờ mở là trường địa chỉ có độ dài 2 byte Trường này chứa nhận dạng điểm truy cập dịch vụ SAPI và nhận dạng điểm kết cuối thiết bị TEI Ở đây mỗi TEI tương đương với một TRX trong BTS. Trường CONTROL: Có 3 kiểu khung được định nghĩa trong LAPD Trường

điều khiển có nhiệm vụ thông báo cho thiết bị thu về kiểu thông tin đang được phát trong khung Trường này cũng có hệ thống đánh số khung phát và thu tiếp theo (NS và NR) Độ dài của trường phụ thuộc kiểu LAPD LAPD module 8 trường này sẻ có độ dài 8 bit, nếu LAPD module 128 trường này có độ dài 16bit.

 Trường INFO: Trường thông tin là nơi chứa thông tin lớp 3 Trường này có độ dài thay đổi phụ thuộc vào dữ liệu.

 Trường FCS: 2 byte cuối cùng ngay trước trường cờ kết thúc một khung LAPD là trường dãy kiểm tra khung.

Hình 2.9a Định dạng khung LAPD module 128

Có hai kiểu LAPD được sử dụng trong mạng GSM LAPD Module 8 thì trường điều khiển chỉ có 8 bít trong đó 3 bit để biểu diển cho mổi N(R) hoặc N(S), còn LAPD module 128 thì trường điều khiển dài 16 bit và 7 bit dành cho mổi N(R) và N(S).

Hình 2.9b : Định dạng khung LAPD module 8

Trường FLAG

Tất cả các khung LAPD bắt đầu và kết thúc bằng trường FLAG, trường này luôn được đặt bằng 01111110 hay 7E16, mục đích đồng bộ là chỉ thị vị trí bắt đầu và kết thúc một khung Vì số liệu trong trường thông tin có thể thay đổi chứa mẫu cờ 01111110 nên một bit 0 được chèn vào 5 bit 1 liên tiếp, chỉ có cờ này không được chèn để tránh việc nhầm lẩn đáng tiếc Bên thu tìm cờ, toàn bộ số liệu không phải là mẫu cờ sẽ được đưa qua bộ xoá bit 0 để khôi phục lại chuổi dữ liệu ban đầu.

Trường ADDRESS

Trường này có độ dài 2 octet và chứa các tham số: SAPI, TEI, C/R và EA.

Nhận dạng điểm truy cập SAPI

BSC phải có khả năng đánh địa chỉ cho mỗi TRX riêng (hình 2.11)

Hình 2.11 Kết nối liên kết dữ liệu trên kênh D

Đánh địa chỉ trong LAPD được thực hiện trong 2 byte của trường địa chỉ Địa chỉ được chia làm hai phần SAPI và TEI kết hợp với nhau để định hướng khung đi đến điểm kết nối logic chính xác.

6 bit nhận dạng điểm truy cập dịch vụ SAPI Chức năng của SAPI tương tự như chức năng của hệ thống con SSN với SCCP SAPI được dùng để định hướng thông tin trong khung LAPD đến phần thực thể logic chính xác Một phần thực thể logic có thể được xem như là một khối phần mềm điều khiển một tập hợp các chức năng Ví dụ về các chức năng là khởi tạo cuộc gọi, trả lời cuộc gọi, kết thúc cuộc gọi Tất cả các bản tin liên quan đến điều khiển cuộc gọi của các mạch đã định phải có cùng một SAPI nên định hướng bản tin đến thực thể logic chính xác.GSM sử dụng 3 giá trị của SAPI trong giao diện Abis cho dưới hình 2.12 SAPI cũng chỉ ra ưu tiên di chuyển của một bản tin Giá trị SAPI_62 và SAPI_63 có được sự ưu tiên cao hơn là SAPI_0.

Hình 2.12 Các giá trị SAPI

Bít lệnh/đáp ứng C/R :

Bit C/R (lệnh/đáp ứng) chỉ ra khung là khung điều khiển hay đáp ứng Bít này sẻ cho biết một bản tin là lệnh, trả lời hay xác nhận của một lệnh Khung lệnh do BSC gửi đến BTS và khung đáp ứng do BTS gửi đến BSC có C/R = 1, ngược lại khung lệnh do BTS gửi đến BSC và khung đáp ứng do BSC gửi đến BTS có C/R = 0 (hình 2.13).

Hình 2.13 : Bit C/R với lệnh và đáp ứng

Nhận dạng thiết bị đầu cuối TEI :

7 bit TEI được dùng để phân biệt giữa các TRX Một TEI được gán cho mỗi TRX cung cấp khả năng phân biệt giữa các TRX trong khi phân tích một file xác định Do có 7 bit nên tổng đài có thể phuc vụ 127 thiết bị.

Các bít trường địa chỉ mỡ rộng :

Trường địa chỉ gồm mỗi bit EA cho mỗi octet Bit EA của octet thứ nhất được đặt bằng 0,nó chỉ ra rằng octet theo sau nó chính là một octet của trường địa chỉ và EA của trường thứ 2 được đặt bằng 1 nó chỉ rằng đó là octet cuối cùng của trường địa chỉ.

Trường điều khiển

Chiều dài của trường điều khiển phụ thuộc vào kiểu khung 8 hoặc 16 bit Nó bao gồm các thông tin sau:

Bit đầu Polling (P), bit cuối Final (F) và bit P/F:

Thay cho các kiểu khung mà có thể được dùng chỉ là lệnh tương ứng với bit P hay chỉ là đáp ứng tương ứng với bit F hay bit P/F là cho cả hai Thông tin bit P nhận một bản tin lệnh mà bên gữi mong chờ một câu trả lời, còn nếu kiểu bản tin thông thường không muốn yêu cầu một xác nhận Trên thực tế bit Polling trên giao diện Abis được dùng chỉ khi BSC và BTS ở trong trạng thái rỗi và cần kiểm tra kết nối định (ví dụ trao đổi của khung RR).

Khi khung lệnh được nhận thì bit P được đặt bằng 1, khung trả lời cần được quay trở lại bit F được đặt lên 1 LAPD cho phép xác nhận của khung I khi này bit P được đặt

bằng 0 với cả khung I và khung S Tuy nhiên khung I, nơi bit P được đặt bằng 1 thì có được xác nhận cùng lúc với khung S Bit P của khung UI luôn đặt bằng 0 Mà tại sao khung một khung UI mặc dù lệnh theo định nghĩa lại không được yêu cầu một xác nhận.

Số tiếp theo gữi N(S) và số tiếp theo nhận N(R):

N(S) và N(R) phục vụ mục đích của sự thừa nhận việc trao đổi và nhận của khung I Cách thức đếm có thể là module 8 hay module 128 Trong trường hợp module 8, 3 bit sẻ được sử dụng cho bộ đếm, tính đến giá trị của các số khung giữa 0 và 7 7 bit sẻ được sử dụng cho bộ đếm trong trường hợp module 128, tính đến các giá trị giữa 0 và 127 Trên giao diện Air (LAPDm) chỉ module 8 được sử dụng Khi một phía (BSC hoặc BTS) gửi một khung I, bộ đếm N(S) bên gửi sẻ tăng lên 1 Nó thể hiện rằng giá trị N(S) trong khung I vừa mới gửi vẩn có giá trị cũ, giá trị chỉ tăng lên sau khung đả gửi.

Khi khung I đến nơi nhận nó sẻ được kiểm tra để thấy nếu như giá trị nhận được của N(S) và N(R) phù hợp với những giá trị nhận được đả được lưu trước đó Giá trị N(S) cho khung I được nhận để phù hợp với giá trị thực tế của N(R) bên nhận Nếu khung cũng không có lỗi (FCS), bên nhận tăng giá trị của N(R) và gửi giá trị mới trong khung RR trở lại cho bên gửi Phía bên gửi mong chờ xác nhận trong một khung thời gian được ghi rỏ Nếu mà chu kỳ thời gian kết thúc không có xác nhận, khung I sẻ gửi lại Chú ý rằng theo quy định Q920 và Q.921, sự xác nhận không phải mang bởi khung giám sát S nhưng cũng có thể mang bởi khung I Bởi thế sự gửi một khung RR không cần thiết nếu như bên nhận cũng đả gửi một khung I Tuy nhiên GSM không tạo ra cách dùng của sự lựa chọn ấy Tất cả các khung I đều được xác nhận với một khung RR Cho tới khi sự xác nhận đả được nhận, bên gửi cất khung I vào bộ đệm Ví dụ dưới sẻ minh hoạ điều này.

Chức năng của N(S) và N(R):

BTS gửi một khung I và tăng bộ đếm N(S) của nó BSC nhận khung I và tăng bộ đếm N(R) và gửi một khung RR với một giá trị của N(R) trở lại cho BTS BTS không cần duy trì đệm khung I sau khi nó nhận xác nhận từ BSC.

Tiếp theo BSC gửi một khung I tới cho BTS và tăng bộ đếm N(S) của nó lên 1 Một lần nữa chỉ ra rằng giá trị của N(S) và N(R) trong khung I được truyền tương ứng ngược lại tới một khung được lưu trong BTS Khi BTS kiểm tra tính chắc chắn của thông tin và nếu mọi thứ đều đúng, bộ đếm N(R) của nó được tăng và gửi đáp ứng lại BSC với một khung RR và một giá trị mới của N(R) Thủ tục này được thể hiện trong hình 2.14.

Hình 2.14: Chức năng của N(R) và N(S)

Khung RR cần được trao đổi giữa BSC và BTS trong khoảng thời gian nào đó vì thế được gọi là trường hợp rổi, khi không có dữ liệu được truyền, giá trị của N(R) và N(S) không thay đổi trong quá trình đó, cái mà được gọi là phần đầu.Tuy nhiên chúng phải tưng ứng với chiều ngược lại tới mỗi cái khác

Kiểu khung:

Có 3 kiểu của trường điều khiển khung LAPD (hình 2.9) như sau:

- Khung thông tin (I) : các khung này có thể so sánh được với đơn vị tín hiệu

bản tin MSU của SS7 Khung này được sử dụng để truyền các bản tin Q.931 (lớp 3 bản tin lớp mạng) hoặc X.25 trên kênh D Chỉ duy nhất khung này sử dụng trường NS và NR NS là số thứ tự của khung đang truyền, còn NR là số thứ tự của khung chờ đợi tiếp theo Nhờ cơ chế này mà TE và LT giám sát được các khung bị mất.

- Các khung giám sát (S) : Điều khiển việc trao đổi các khung I Nó được

dùng để xác nhận các khung I, thông tin điều khiển truyền, yêu cầu truyền lại các khung I bị mất trên cơ sở NS và NR Có 3 kiểu khung S được xác định bằn các bít S Khung này không có trường thông tin và có thể so sánh với những đơn vị trạng thái liên kết (LSSU) của SS7.

- Khung không được đánh số U : Có 7 loại khung U, các khung U được dùng

để thiết lập và giải phóng các kết nối logic, xác định các tham số liên kết số liệu và chỉ thị các lỗi không thể sữa chữa sau khi truyền lại NS và NR không được dùng ở khung này Bít M đung để xác định kiểu khung U Chỉ khung UI duy nhất trong nhóm các khung U là có trường thông tin, mang bản tin lớp mạng Khung UI có TEI =127 mang thông tin quảng bá tới tất cả các TE trên đường DSL.