Kiến trúc phân tầng của hệ thống thông tin di động tế bào CDMA: Các thành phần mạng và giao thức liên lạc
MỤC LỤC
Các đặc điểm cơ bản của một số hệ thống vô tuyến di động hiện nay
Các đặc tính cơ bản của một số hệ vô tuyến di động hiện nay đợc cho ở bảng 1. Các thông số cơ bản của một số hệ thống vô tuyến di động hiện nay.
Giới Thiệu
D900 là hệ thống đầu tiên, là kỳ công của phơng pháp mới, có thể truyền dẫn bằng số hoá tiếng nói cho các ô tế bào điện thoại. Sự thêm vào này làm tăng thêm chất lợng kết nối, một số cải tiến đã đợc sử dụng nh vậy làm tăng thêm hiệu hiệu quả sử dụng phổ tần số.
Các Thành Phần Mạng
Trung tâm nhận thực AUC là cơ sở dữ liệu chứa các thông tin liên quan đến thuê bao khi thuê bao đăng ký nhập mạng và đợc sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phÐp. Các số liệu quản lý đều đợc đa về BSC để đo đạc và xử lý, chẳng hạn nh là lu lợng thông tin ở một ô, môi trờng vô tuyến, số lợng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại.
Các thông số cơ bản của GSM
- Điều chế: Điều chế dịch chuyển pha cực tiểu Gao-xơ GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) có đờng bao không đổi BT=0.3 (Bandwidth Bitinterval) nhờ đó suy giảm giữa hai sóng mang lân cận là 18dB và hơn 50dB đối với kênh xa hơn. Giao tiếp vô tuyến Um là giao tiếp giữa trạm di động MS và hệ thống trạm gốc BSS (cụ thể là với BTS) với chức năng truyền tải thông tin lu lợng và báo hiệu giữa ngời sử dụng và mạng.
Mô hình kênh
BCCH: Broadcast Control Channel CCCH: Commol Control Channel RACH: Random Access Channel AGCH: Access Grant Channel PCH: Paging Channel. + Kênh tìm gọi ngẫu nhiên (RACH): MS sử dụng kênh này để yêu cầu dành một SDCCH hoặc để trả lời tìm gọi, để thâm nhập khi khởi đầu cuộc gọi hoặc đăng ký cuộc gọi.
CÊu tróc côm
+ Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH): Là kênh đờng lên/xuống, liên kết với TCH.FACCH làm việc ở chế độ lấy cắp bit (bit stealing). Sở dĩ khoảng bảo vệ dài nh vậy vì khi MS lần đầu thâm nhập không biết định trớc thời gian (khoảng này dành cho khoảng cách tối đa dài 35 km).
Một số tính năng của máy di động
Một chỉ thị sẽ đợc gửi đến ngời sử dụng dịch vụ thông báo ngắn của MS khi không thể nhận bản thông báo tới vì bộ nhớ không đủ chứa. Là chỉ thị cho ngời sử dụng rằng có cờng độ tín hiệu phù hợp để thực hiện một cuộc gọi và MS đã đăng ký thành công ở PLMN đợc chọn.
L u động và cập nhật
Ta có thể tởng tợng ra rằng MS không hề biết cấu hình của mạng chứa nó nh thế nào để gửi cho MS thông tin về vị trí chính xác của nó, hệ thống phát đi nhận dạng vùng định vị MS (LAI) liên tục ở giao tiếp vô tuyến = BCCH. Từ quan điểm mạng ta có thể đa ra các trờng hợp khác nhau khi MSC/VLR phải gửi thông tin về vùng định vị mới đến các khối khác.
Thủ tục nhập mạng - đăng ký lần đầu
Từ giờ chở đi MSC/VLR sẽ coi rằng MS hoạt động và đánh dấu trờng dữ.
Thủ tục rời mạng
Thông báo này đợc phát quảng bá trên toàn bộ vùng định vị (LA) nghĩa là các trạm phát thu cơ sở BTS trong LA sẽ gửi thông báo tìm gọi đến MS. Khi chuyển động ở LA và nghe thông tin CCCH, MS sẽ nghe thấy thông báo tìm gọi và trả lời ngay lập tức.
Cuộc gọi đang tiến hành, định vị
Vì thế việc tổ chức truyền dẫn số liệu trên TCH đợc thực hiện sao cho cuộc nói chuyện cũng nh thông tin về báo hiệu đợc gửi đi trên một kênh. Sau đó khi MS nhận đợc lệnh chuyển đến tần số mới và TCH mới, Ngoài ra sau khi đã thực hiện chuyển giao, MS sẽ đợc thông báo về các ô lân cận mới.
Cuộc gọi khởi đầu từ trạm di động
Gọi MSC/VLR cũ (tham gia cuộc gọi trớc khi chuyển giao) là tổng đài phục vụ và MSC/VLR mới là tổng đài đích. Sau khi phân công một kênh lu thông MSC thiết lập liên kết tới GMSC và từ đó thiết lập liên kết tới tổng đài PSTN.
Thuê bao cố định gọi thuê bao di động MTC
Sau khi thuê bao nhấc máy, bắt đầu quá trình thay đổi thông tin giữa thuê bao và mạng để kiểm tra SIM và cách thức mã hoá tín hiệu trên đờng truyền vô tuyến. Khi cuộc nối kết thúc, các kênh truyền dẫn logic và các số liệu liên quan chứa trong các phần tử mạng đợc giải phóng và MSC ghi các số liệu về tính cớc vào băng từ hoặc đĩa cứng để tính cớc.
Tổng quát
- Định vị và chuyển giao: BSC điều khiển việc chuyển giao, quyết định chuyển giao dựa trên các kết quả từ chức năng định vị, chức năng này liên tục phân tích chất lợng của các cuộc nối tiếng. Các chức năng nh quản lý số liệu hệ thống, mạng phần mềm, chặn/giải toả chặn các thiết bị, cảnh báo, điều khiển, thu thập số liệu đo và kiểm tra máy thu phát là các thí dụ về các nghiệp vụ khai thác và bảo dỡng ở BSC.
Bộ điều khiển trạm gốc BSC
Các chức năng của RBS là: Biến đổi truyền dẫn, các phép đo vô tuyến, phân tập anten, mật mã, nhảy tần, truyền dẫn không liên tục, đồng bộ thời gian, giám sát và kiểm tra. RPS thực hiện công việc đòi hỏi có khả năng nh xử lý giao thức, nó chứa RP và các bộ xử lý vùng modun mở rộng (EMRP) bằng các vi chơng trình và thờng trực để xử lý mềm.
Hệ thống trạm gốc vô tuyến RBS
- Đa kênh vào hoạt động; BSC ra lệnh cho TRS đa vào hoạt động một tiềm năng kênh riêng để sử dụng bằng 1 kênh logic liên kết của mình. Lý do là sự trao đổi thông tin rất lớn giữa 2 điểm nút mỗi khi thiết lập một cuộc gọi làm cho tải ở đờng báo hiệu rất cao nếu chúng đặt ở các điểm nút khác nhau.
Các hệ thống con ở APT
AST (đầu cuối nghiệp vụ thông báo) là một phơng tiện thuê bao sử dụng các thông báo đợc ghi lại để thông báo cho các thuê bao đang gọi vì sao không đạt đợc số đã quay.v.v.Các thông báo đợc ghi lại bằng lời và các tone. Vì các đầu cuối báo hiệu là các thiết bị số nên thiết bị PCD/D không có chứa chức năng cho tuyến thoại nên chỉ phục vụ nh là một thiết bị để thích ứng với chuyển mạch nhóm.
CÊu tróc APZ
Hệ thống con bao gồm các chức năng để giám sát dòng lu lợng qua tổng đài và để đa các thay đổi tạm thời vào dòng này. - CPS (hệ thống con xử lý trung tâm): chứa cả phần mềm lẫn phần cứng, thực hịên các chức năng nh quản lý, điều khiển lu giữ, nạp và thay đổi các ch-.
Khái quát
Các vấn đề an ninh mạng GSM tập trung xung quanh mô-đun nhận dạng thêu bao SIM mà ngời sử dụng điện thoại di động nhận đợc dới dạng một card khi đăng ký (mua) thêu bao. Vào thời điểm đăng ký thêu bao, card SIM đợc nạp các thông số dùng cho việc nhận dạng thêu bao cũng nh các thuật toán dùng cho các thủ tục an ninh và điều khiển truy nhập.
Hệ thống đánh số và các số nhận thực trong GSM
Do kết quả của đăng ký vị trí, HLR biết đợc vị trí sơ bộ của MS (biết đợc MS đang hiện diện ở vùng phục vụ MSC/VLR nào) khi trả lời thủ tục hỏi định tuyến của GMSC để nối tuyến cuộc gọi từ ngoài mạng (từ PSTN chẳng hạn tới một MS, HLR sẽ phát ISMI của MS đó về VLR phục vụ của MS đó kèm theo yêu cầu VLR đặt tạm cho MS bị gọi một số MSRN và cung cấp cho HLR để cho HLR báo lại cho GMSC. BSIC đợc phát thờng xuyên trên sóng mang BCCH kênh SHC nhằm giúp MS nhận diện BS trong quá trình nhập mạng, đo lờng BSIC còn đợc MS sử dụng nh tín hiệu phát trên kênh RACH gọi BS xin truy nhập (xin đặt kênh điều khiển hai chiều SDCCH để trao đổi thông tin điều khiển nhận thực) BSIC gồm 6 bít chia làm 2 phàn bằng nhau cho mã mau quốc gia NCC (national colour code).
Card SIM
Là dùng để MS nhận diện ngời sử dụng cho phép chủ thuê bao dùng PIN nh kháo số ngăn ngừa ngời lạ dùng MS của mình liên lạc trộm PIN gồm 4-8 con số. Trong trờng hợp cho chức năng pin hoạt động, khi muốn sử dụng MS ngời sử dụng phải đa số PIN đúng vào nh thể dùng chìa khoá để mở SIM việc đa PIN vào sai sẽ đợc báo trên màn hình hiển thị của MS.
Nhận thực trạm di động
Khi nhận đợc yêu cầu xin truy nhập mạng của MS (để đăng ký vị trí, tạo cuộc gọi hoặc đáp tin nhắn gọi) trong đó có IMSI của MS, MSC sẽ đặt kênh SDCCH cho MS để trao đổi thông tin nhận thực. Nhận đợc R, SIM của MS sẽ dùng R, Ki và thuật toán A8 có sẵn trong SIM tính ra khoá mã mật Kc mới và trữ lại vào SIM để sử dụng cho mã và giải mã mật thông tin trong những cuộc gọi tiếp theo để tránh việc sử dụng Kc khác nhau ở máy thu và máy phát khi phát số ngẫu nhiên R cho MS mạng còn gửi cho MS một khoá Kn liện quan tới Kc, Kn sau đó đợc trữ trong SIM và phải chứa trong tin đầu tiên gửi tới mạng.
Mã mật thông tin trong GSM
VLR một bộ ba chìa khoá cha sử dụng và gửi số ngẫu nhiên R của bộ ba này cho MS nh là tín hiệu yêu cầu nhận thực.
Bảo vệ nhận diện thuê bao bằng TMSI
Mỗi khi MS yêu cầu một trong các thủ tục của hệ thống nh thể báo mới vị trí, yêu cầu cuộc gọi… MSC/VLR sẽ tạo ra một TMSI và thay thế IMSI bằng TMSI này đồng thời phát TMSI do đó MS với lệnh thay IMSI bằng TMSI. Thậm chí ngay cả khi MS không thay đổi vị trí (không đổi vùng định vị) mà chỉ tắt nguồn rồi lại bật nguồn nhập mạng trở lại (chẳng hạn sau khi nạp lại ắc–quy) nó cũng phải xin đăng ký báo mới vị trí và vì vậy VLR cũng sẽ ấn định cho nó một TMSI mới.
Thí dụ về quá trình đăng ký báo mới vị trí của MS
VLR tạo ngay ra một TMSI mới cho MS này và gửi TMSI mới cùng Kc mới cho hệ MSC/BS tin gửi Kc cho MSC/BS xem nh lệnh khởi động mật mã (Start Ciphering) nhận đợc Kc BS trữ lại dùng cho thủ tục mật mã đồng thời phát lệnh chế độ mã mật tính ra lời đáp xong chế. BS nhận đợc lời đáp sẽ dùng thuật toán A5 (giải mã) cùng các thông số khung TDMA và Kc để kiểm tra lại, nếu đúng BS sẽ phát tin chấp nhận đăng ký vị trí (Location Update Accepted) là bản tin chứa TMSI mới.