Mạng thông tin di động GSM 1

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông Mạng thông tin di động GSM

Phần I :Tổng quan mạng thông tin di động GSM

Chơng 1

Cấu trúc mạng GSM1.1 Tổng quan mạng GSM

Cấu hình mạng GSM :

Trong đó:

SS : Switching System - Hệ thống chuyển mạch

AUC : Trung tâm nhận thực VLR : Bộ ghi định vị tạm trú HLR : Bộ ghi định vị thờng trú

MSSS

EIR : Equipment Identified Reader - Bộ ghi nhận dạng thiết bị

MSC : Mobile Switching Central - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di

PSTN : Mạng điện thoại mặt đất công cộng

 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.

1.2 Cấu trúc địa lý của mạng

Mọi mạng điện thoại đều cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi 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.

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.

3 Vùng định vị (LA: Location Area)

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

Hình 1.2 Vùng mạng GSM/PLMN : Các đờng truyền giữa các mạng khác nhau và mạng GSM/PLMN

PSTN

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.

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.

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)

1.3 Hệ thống chuyển mạch (SS - Switching Subsystem)

Hệ thống chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng nh các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao 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.

Hình 1.3 Ví dụ về phân cấp cấu trúc địa lý của mạng di động cellular (GSM)

1.3.1 Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC - Mobile Service Switching Centre)

ở SS chức năng chính chuyển mạch chính đợc MSC thực hiện, nhiệm vụ chính của MSC 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 ).

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 tr-ờng hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF đợc để mở.

1.3.2 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.

1.3.3 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.

1.3.4 Tổng đài di động cổng (GMSC - Gate MSC)

SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR Để thiết lập một cuộc gọi đến ngời sử dụng GSM, trớc hết cuộc gọi phải đợc định tuyến đến một tổng đài cổng đợc gọi là GMSC mà không cần biết hiện thời thuê bao đang ở đâu Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời ( MSC tạm trú ) Để vậy, trớc hết các tổng đài cổng phải dựa trên số danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này Tổng đài cổng có một giao diện với các mạng bên ngoài thông qua giao diện này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối các mạng bên ngoài với mạng GSM Ngoài ra tổng đài này cũng có giao diện báo hiệu số 7 ( CCS 7 ) để có thể t-ơng tác với các phần tử khác của SS Về phơng diện kinh tế không phải bao giờ tổng đài cổng cũng đứng riêng mà thờng đợc kết hợp với MSC.

1.3.5 Trung tâm nhận thực (AUC - Authentication Center)

Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các thông số nhận thực và các khoá mật mã.

Trung tâm nhận thực liên tục cung cấp các bộ ba cho từng thuê bao Các bộ ba này đợc coi nh là số liệu liên quan đến thuê bao Một bộ ba (RAND, SRES, hoá mật mã (Kc) ) đợc sử dụng để nhận thực một cuộc gọi để tránh trờng hợp Card thuê bao (Card thông minh) bị mất ít nhất phải luôn có một bộ ba mới (cho một thuê bao) ở HLR để luôn có thể cung cấp bộ ba này theo yêu cầu của MSC/VLR AUC chủ yếu chứa một số các máy tính cá nhân gọi là PC - AUC để tạo ra các bộ ba và cung cấp chúng đến HLR.

PC - AUC đợc coi nh một thiết bị vào/ra (I/O).

Trong AUC các bớc sau đây đợc thực hiện để tạo ra bộ ba :

Một số ngẫu nhiên không thể đoán đợc (RAND) đợc tạo ra.

RAND và Ki đợc sử dụng để tính toán trả lời đợc mật hiệu (SRES) và khoá mật mã (Kc) bằng hai thuật toán :

o SRES = A3 (RAND , Ki)

o Kc = A8 (RAND , Ki)

RAND, SRES và Kc cùng đợc đa đến HLR nh một bộ ba.

Quá trình nhận thực sẽ luôn diễn ra mỗi lần thuê bao truy cập vào mạng của hệ thống.

Quá trình nhận thực diễn ra nh sau :

VLR có tất cả các thông tin đợc yêu cầu để thực hiện quá trình nhận thực (Kc, SRES, RAND) Nếu các thông tin này không sẵn có ở VLR thì VLR sẽ yêu cầu chúng từ HLR / AUC.

1 Bộ ba (Kc, SRES, RAND) đợc lu giữ trong VLR.

2 VLR gửi RAND qua MSC và BSS tới MS (không đợc mã hoá).

3 MS sử dụng các thuật toán A3 và A8 và tham số Ki đợc lu giữ trong SIM card của MS, cùng với RAND nhận đợc từ VLR, sẽ tính toán các giá trị của SRES và Kc.

4 MS gửi SRES không mã hoá tới VLR.

5 Trong VLR giá trị của SRES đợc so sánh với SRES mà nhận đợc từ máy di động Nếu hai giá trị này là phù hợp thì nhận thực là thành công.

6 Nếu mã hoá đợc sử dụng, thì Kc từ bộ ba mà đã đợc dự định trớc sẽ đợc gửi tới BTS.

7 Máy di động tính toán Kc từ RAND và Ki (Ki ở trong SIM) bằng thuật toán A8.

8 Dùng Kc, thuật toán A5 và số siêu siêu khung sự mã hoá giữa MS và BSS bây giờ có thể xảy ra qua giao diện vô tuyến.

1.3.6 Chức năng tơng tác (IWF - Interworking Function)

IWF cung cấp chức năng để đảm bảo hệ thống GSM có thể giao tiếp với nhiều dạng khác nhau của các mạng số liệu t nhân và công cộng đang đợc sử dụng.

Các đặc điểm cơ bản của IWF gồm :Sự thích hợp tốc độ dữ liệu.

Sự chuyển đổi giao thức.

Một số hệ thống yêu cầu nhiều khả năng của IWF hơn các hệ thống khác, điều này phụ thuộc vào mạng mà IWF đợc nối tới.

CCS 7

Phụ thuộc quy định của từng nớc, một hãng khai thác GSM có thể có mạng báo hiệu CCS 7 riêng hay chung Nếu hãng khai thác có mạng báo hiệu này riêng thì các điểm chuyển giao báo hiệu ( STP : Signaling Transfer Point ) có thể sẽ là một bộ phận của SS và có thể đợc thực hiện ở các điểm nút riêng hay trong cùng một MSC tuỳ thuộc vào hoàn cảnh kinh tế Tơng tự một nhà khai thác GSM cũng có

thể có quyền thực hiện một mạng riêng để định tuyến các cuộc gọi giữa GMSC và MSC hay thậm chí định tuyến cuộc gọi ra đến điểm gần nhất trớc khi sử dụng mạng cố định Lúc này các tổng đài quá giang ( TE :Transit Exchange ) có thể sẽ là một bộ phận của mạng GSM và có thể đợc thực hiện nh một nút đứng riêng hay kết hợp với MSC.

1.4 Hệ thống trạm gốc BSS

Có thể nói BSS là một hệ thống các thiết bị đặc thù riêng cho các tính chất tổ ong vô tuyến của GSM BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động ( MS ) thông qua giao diện vô tuyến Vì thế nó bao gồm các thiết bị phát và thu đờng truyền vô tuyến và quản lý các chức năng này Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài SS Tóm lại BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những ngời sử dụng các trạm di động với các ngời sử dụng viễn thông khác BSS cũng phải đợc điều khiển và vì vậy nó đợc đấu nối với OSS.

BSS bao gồm hai loại thiết bị : BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC.

1.4.1 Trạm thu phát gốc (BTS - Base Transceiver Station)

Một BTS bao gồm các thiết bị phát thu, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Có thể coi BTS là các Modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder and Rate Adapter Unit : khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ ) TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM đợc tiến hành, ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trờng hợp truyền số liệu TRAU là một bộ phận của BTS, nhng cũng có thể đặt cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trờng hợp đợc đặt giữa BSC và MSC.

Các chức năng chính của BTS là :

Biến đổi truyền dẫn (dây dẫn - vô tuyến).Các phép đo vô tuyến.

Phân tập anten.Mật mã.

Nhẩy tần.

Truyền dẫn không liên tục.Đồng bộ thời gian.

Giám sát và kiểm tra.

Mỗi BTS có thể có tối đa 4 bộ thu phát (TRX - Transceiver) Bộ kết hợp phát cho phép đấu nối 16 TRX trên cùng một anten Có thể đấu nối 32 TRX đến cùng một cặp anten thu.

1.4.2 BSC

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao ( Handover ) Một phía BSC đợc nối với BTS còn phía kia đợc nối với MSC của SS Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lu lợng của các BTS này Giao diện giữa BSC với MSC đợc gọi là giao diện A, còn giao diện giữa nó với BTS đợc gọi là giao diện Abis.

BSC có các chức năng chính sau :Giám sát các trạm vô tuyến gốc.Quản lý mạng vô tuyến.

Điều khiển nối thông đến các máy di động.Định vị và chuyển giao.

−Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng GSM.

−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 nh một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di động Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm di động tuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối - modem.

* Cấu trúc của một máy di động :

Máy di động gồm thiết bị di động ME (Mobile Equipment) và modun nhận dạng thuê bao SIM (Subcriber Identity Module)

Modun nhận dạng thuê bao :

SIM là một modun tháo rút đợc để cắm vào mỗi khi thuê bao muốn sử dụng MS và rút ra khi MS không có ngời hoặc lắp đặt ở MS khi ban đầu đăng ký thuê bao Có hai phơng án đợc đa ra :

- SIM dạng card IC.- SIM dạng cắm.

1/ SIM dạng card IC : là một modun để có một giao tiếp với bên ngoài theo các tiêu chuẩn ISO về các card IC SIM có thể là một bộ phận của card đa dịch vụ trong đó viễn thông di động GSM là một trong số các ứng dụng.

2/ SIM dạng cắm : là một modun riêng hoàn toàn đợc tiêu chuẩn hoá trong hệ thống GSM Nó đợc dự định lắp đặt bán cố định ở ME.

Các khai thác mạng GSM là các khai thác khi thiết lập, hoạt động xoá một cuộc gọi Khi sử dụng ở ME, SIM đảm bảo các chức năng sau nếu nó nằm trong khai thác của mạng GSM :

Lu giữ các thông tin bảo mật liên quan đến thuê bao (nh IMSI) và thực hiện các cơ chế nhận thực và tạo khoá mật mã.

Khai thác PIN ngời sử dụng (nếu cần có PIN) và quản lý.

Quản lý thông tin liên quan đến thuê bao di động chỉ có thể thực hiện khai thác mạng GSM khi SIM có một IMSI đúng.

SIM phải có khả năng xử lý một số nhận dạng cá nhân (PIN), kể cả khi không bao giờ sử dụng nó PIN bao gồm 4 đến 8 chữ số Một PIN ban đầu đợc nạp bởi bộ hoạt động dịch vụ ở thời điểm đăng ký Sau đó ngời sử dụng có thể thay đổi PIN cũng nh độ dài PIN tuỳ ý Ngời sử dụng cũng có thể quyết định có sử dụng chức năng PIN hay không bằng một chức năng SIM-ME đợc gọi là chức năng cấm PIN Việc cấm này giữ nguyên cho đến khi ngời sử dụng cho phép lại kiểm tra PIN Nhân viên đợc phép của hãng khai thác có thể chặn chức năng cấm PIN khi đăng ký thuê bao, nghĩa là thuê bao khi bị chặn chức năng cấm PIN không còn lựa chọn nào khác là sử dụng PIN Nếu sử dụng PIN sai ngời dùng nhận đợc một chỉ thị Sau khi đa vào 3 lần sai liên tiếp SIM bị chặn, thậm chí cả khi rút SIM ra hay tắt MS Chặn SIM nghĩa là đặt nó vào trạng thái cấm khai thác mạng GSM, có thể dùng khoá giải toả chặn cá nhân để giải toả chặn Khoá giải toả chặn cá nhân là một số có 8 chữ số Nếu đa chữ số sai vào ngời dùng nhận đợc chỉ thị Sau 10 lần liên tiếp đa vào sai, SIM bị chặn ngay cả khi rút SIM ra hay tắt MS.

Ngoài ra SIM phải có bộ nhớ không mất thông tin cho một số khối thông tin :