Nhiều sự thách thức trong thiết kế của mạng di động được quan tâm với sự di động của những MS. Trong phần này chúng ta mang một sự thể hiện thân thiện của một vài thủ tục quan trọng nhất chú ý tới tính di động trong mạng. Thủ tục được giới thiệu theo trật tự: mở nguồn Power ON, gán và tách ra IMSI, cập nhật vị trí và chuyển giao. Gíới thiệu về chuyển giao bao gồm nhiều chi tiết hơn những cái còn lại của thủ tục.
2.2.1 Bật tắt máy ở trạm di động
Khi MS mới bật nguồn nó phải thực hiện đăng ký lần đầu để nhập mạng. Quá trình được thực hiện như sau:
• Trước hết trạm MS quét để tìm được tần số đúng ở kênh FCCH (Kênh hiệu chỉnh tần số)
• Sau đó tìm đến kênh đồng bộ SCH để nhận được khung TDMA cho đồng bộ.
• Cuối cùng nó thực hiện cập nhật vị trí để thông báo cho VLR phụ trách HLR về vị trí của mình. Các cơ sở dữ liệu này sẻ ghi lại LAI hiện thời MS. Giống như ở cập nhật vị trí bình thường thông tin về LAI được MS nhận từ kênh BCCH.
Bắt đầu từ lúc MSC/VLR công nhận là MS tích cực và đánh dấu cờ “truy nhật tích cực” vào trường dữ liệu của mình. Cờ này gắn với một số nhận dạng thuê bao: IMSI.
Khi tắt nguồn một trạm MS hoặc lấy SIM ra sẻ xảy ra quá trình rời bỏ IMSI. Các trao đổi báo hiệu trong trường hợp này được thực hiện như sau:
• MS yêu cầu một kênh báo hiệu để phát đi bản tin thông báo cho mạng rằng MS chuẩn bị vào mạng trạng thái không tích cực. Điều này có nghĩa rằng mạng không thể đạt đến MS nữa.
• MSC sẽ gửi bản tin IMSI đến VLR, bản tin này không được trả lời công nhận vì MS sẽ không nhận được trả lời này, VLR sẽ thiết lập cờ rời bỏ IMSI và từ chối các cuộc gọi đến trạm MS này.
• Thông tin rời bỏ IMSI có thể được lưu giữ tại VLR tuỳ chọn cờ rời, mạng có thể cũng được thiết lập ở HLR và xác nhận được gửi trở lại VLR.
Khi MS tắt, thủ tục tách lấy IMSI phải được thực hiện. Từ điểm nhìn của MS, thủ tục tách lấy IMSI được thực hiện bằng cách gửi một bản tin tách lấy IMSI không được xác nhận tới BSS. Nếu bản tin được nhận, MS bị để ý và không tới được HLR. Khi MS được gọi, lúc đó không cần liên hệ với BTS cũ (từ LA nhận biết trong HLR) chỉ tìm thấy rằng MS không thể tới được. Thủ tục tách lấy IMSI có thể cũng được thực hiện ngầm bởi mạng nếu MS thất bại khi cập nhật định kỳ. Nó không bắt buộc sử dụng thủ tục tách lấy IMSI nhưng hầu hết các bộ điều khiển chọn việc này. Thủ tục cũng có thể được thực hiện trong hoàn cảnh khác. Một MS phải sử dụng thủ tục này để rời khỏi nạng GSM khi tham gia mạng khác.
Thủ tục gán IMSI được sử dụng để báo tin cho mạng, rằng MS có thể được sử dụng trở lại. Thực tế báo hiệu chỉ là việc cập nhật vị trí và nó là không thường xuyên được coi như một thủ tục có thực. Gán IMSI sẻ được trình bày phần dưới.
2.2.3 Cập nhật vị trí
a. Cập nhật vị trí trong BSS
MS thực hiện việc cập nhật vị trí (LU) với một vài nguyên nhân. Cập nhật vị trí xãy ra khi trạm di động đang ở trạng thái rổi nhưng nó di chuyển từ một vùng định vị này sang vùng định vị khác. Khi này trạm di động phải thông báo cho mang về vị trí mới của nó để mạng ghi lại vị trí mới vào VLR hoặc nếu cần thiết vào HLR (khi chuyển sang vùng phục vụ MSC mới). Thông tin để thực hiện cập nhật vị trí dựa trên LAI được thông báo thường xuyên từ BCCH của mỗi ô.
Hình 2.30a: Cập nhật vị trí trong BSS
• Đầu tiên MS yêu cầu một kênh điều khiển từ BSC bằng cách gửi bản tin CHAN_REQ tới BTS, BTS sẽ mã hoá bản tin tính toán khoảng cách giữa MS
và BTS (dựa vào thời gian đề xuất) và chuyển tiếp tất cả thông tin tới BSC bao gồm cả thông tin ban đầu của MS và cả thông tin mà BSC thêm vào.
• Tiếp theo BTS sẽ gửi một bản tin CHAN_RQD tới BSC sau khi bản tin này được nhận và xử lý, BSC sẽ truyền cho BTS thông tin về kiểu kênh, số kênh đã được nó dành riêng cho bằng bản tin CHAN_ACT.
• BTS xác nhận và xử lý bản tin CHAN_ACT rồi đáp lại bằng bản tin CHAN_ACT_ACK
• BSC sẻ gửi một bản tin IMM_AS_CMD bản tin này đả kích hoạt kênh dành riêng trước đó. BTS gửi thông tin này qua kênh AGCH cho MS. MS tìm thấy IMM_ASS_CMD của nó bởi những yêu cầu tham chiếu mà nó đã chứa sẳn trong bản tin CHAN_REQ.
• Ở lớp 2 kết nối LAPDm đã sẵn sàng được kích hoạt. MS sẽ gữi một bản tin SABM tới BTS, ở trường hợp này là bản tin LOC_UPD_REQ. Đây là một bản tin yêu cầu cập nhật vị trí.
Hình 2.30b: Cập nhật vị trí trong BSS
• BTS xác nhận một kết nối LAPDm được thiết lập bằng cách gửi một bản tin UA trả lời MS bản tin mang nội dung của bản tin MS yêu cầu. Đồng thời nó chuyển bản tin này tới BSC. Đây là một thông báo MM trong suốt nhưng BSC vẫn xữ lý vì BSC khác vẫn yêu cầu lớp thông tin ký hiệu này từ BS. Sau khi xử lý xong BSC đóng gói LOC_UPD_REQ và LAC hiện thời với CI vào trong một bản tin có nhản là CL3I (Chú ý là trong LOC_UPD_REQ từ BS vẫn chứa LAC, CI cũ), sau đó gữi nó cùng với bản tin SCCP (đây là một thông điệp yêu cầu thành lập một kết nốí) (bản tin CR) tới MSC.
• Nếu MSC có khả năng đáp ứng kết nối SCCP thì yêu cầu CR được đáp lại bằng bản tin CC (Connection Confirmed). Và kể từ thời điểm này một kết nối logic được thành lập từ MS tới MSC/VLR.
• MSC/VLR trả lời LOC_UPD_REQ bằng một bản tin AUTH_REQ. Bản tin này chuyển tới BSC thông qua kết nối SCCP đã được thiết lập và tiếp tục chuyển tới BTS rồi tới MS. Nội dung bản tin là những tham số ngẫu nhiên, những tham số quan trong nhất đối với quá trình cập nhật vị trí.
• MS (chính xác hơn đó là SIM) sau khi nhận được bản tin RAND (số ngẫu nhiên 128bit) từ mạng và kết hợp với khoá mã Ki được lưu trong SIM thông qua giải thuật A3 cho ta SRES 13bit và MS dùng nó gửi trong bản tin AUTH_RSP tới MSC/VLR, đây là một bản tin trong suốt. VLR sẽ so sánh SRES với giá trị được cung cấp bởi HLR.
Hình 2.30c: Quá trình nhận thực trong GSM
Hình 2.30d: Cập nhật vị trí trong BSS
• MSC/VLR sẻ kiểm tra thông tin SRES nếu chứng thực nó sẻ gửi thông tin tới MS và BTS. BTS sau khi nhận được bản tin sẽ giải phóng một phần bản tin
ENCR_CMD (nó là khoá mã Kc), bản tin này sau đó được thuật toán A4 biến thành chuổi ngẩu nhiên và gửi các bản tin CIPH_MOD_CM tới MS. MS xác nhận bằng cách gửi bản tin CIPH_MOD_COM tới BSC và được BSC xử lý chuyển thành bản tin CIPHER_MODE_CMP tới MSC/VLR mã hoá để kích hoạt.
• Nếu thiết bị kiểm tra là tích cực thì MSC/VLR sẽ gửi bản tin IDENT_REQ trong suốt qua BTS và BSC tới MS yêu cầu MS cung cấp IMEI.
• MS nhận được yêu cầu và gửi IMEI của nó cho MSC/VLR trong bản tin IDENT_RSP. Bản tin này cũng trong suốt với BTS và BSC. IMEI của MS được EIR kiểm tra sự chứng thực là tích cực hay không.
• MSC/VLR gán TMSI (đây là thông tin được sử dụng thay cho IMSI để theo dõi những thuê bao khó hơn). TMSI được sử dụng để xác định tạm thời một thuê bao vào bản tin TMSI_REAL_CMD, một bản tin trong suôt với BTS và BSC và gửi tới cho MS. Chú ý việc ấn định một TMSI mới có thể xảy ra vào lúc cuối bên trong LOC_UPD_ACC.
Hình 2.30e: Cập nhật vị trí trong BSS
• MS xác nhận bằng bản tin TMSI_REAL_COM, thông báo là một TMSI mới đã nhận được và đã được lưu trử. Đây cũng là một bản tin trong suốt qua BTS và BSC tới MSC/VLR.
• MSC/VLR đáp lại bằng bản tin trong suôt LOC_UPD_ACC cho MS rằng đã lưu giử vị trí vùng LAI mới. Đến đây một tiến trình cập nhật vị trí là hoàn thành. Kênh chiếm giữ trên giao diện Air có thể được giải phóng để nhường cho việc cập nhật mới.
• Để giải phóng MSC gửi một bản tin CLR_CMD tới BSC, BSC xử lý và chuyển tới BTS trong bản tin CHAN_RE và qua MS. Đồng thời BSC cũng gửi một gói tin DEACT_SACCH yêu cầu BTS ngừng gửi bản tin SACCH.
MS phản ứng đáp lại bằng bản tin DISC (LAPDm) tới BTS để yêu cầu giải phóng kết nối tại lớp 2. BTS xác nhận bằng bản tin UA và xác nhận giải phóng kết nối của giao diện không khí Air bằng bản tin REL_IND và BSC chuyển tiếp tới MSC bằng bản tin CLR_CMP. BSC yêu cầu TRX trong bản tin RF_CHAN_REL để giải phóng nguồn chiếm giữ trên giao diện Air cho BTS. MSC gửi bản tin RLSD yêu cầu giải phóng nguồn SCCP. BTS gửi bản tin RF_CHAN_REL_ACK cho BSC xác nhận giải phóng trên giao diện Air, đồng thời BSC cũng gửi cho MSC bản tin RLC để xác nhận việc giải phóng của nguồn SCCP.
b. Cập nhật vị trí trong NSS
Khi cập nhật vị trí làm thay đổi VLR thì luôn phải truy cập với thông tin trong HLR, còn nếu như việc cập nhật vị trí mà không làm thay đổi VLR thì không cần truy cập thông tin ở HLR. Trong HLR luôn chỉ có thông tin về vùng VLR của thuê bao, nó không có thông tin cụ thể về vùng định vị. Mọi trạng thái của MS luôn được EIR kiểm tra.
Hình 2.31a: Cập nhật vị trí trong NSS
• VLR mới yêu cầu chứng thực dữ liệu (SRES, RAND, Ki) từ VLR cũ sau khi nhận được bản tin LOC_UPD_REQ từ BSC qua giao diện A. VLR mới gửi thông tin nhận dạng dữ liệu TMSI cũ cho VLR cũ nhờ HLR (dữ liệu ban đầu), sự chứng thực dữ liệu sẻ được đáp lại cho VLR mới.
• Sau khi gửi bản tin LOC_UDP_ACC, VLR mới xác nhận với HLR rằng MS đã chuyển vùng VLR mới. Và gửi bản tin chứa IMSI và LMSI mới cho HLR cập nhật. HLR gửi bản tin yêu cầu VLR cũ xoá dữ liệu về thêu bao để cập nhật dữ liệu về vị trí mới của thuê bao, và được VLR cũ đáp trả bằng bản
tin tương tự thông báo đả huỷ. Cùng lúc này VLR mới nhận được từ HLR tất cả dử liệu thuê bao trong một bản tin ‘insertSubcriberData’.
• VLR mới đáp trả bản tin tương tự để thông báo là đả cập nhật và HLR gửi bản tin ‘updataLocation tới cho VLR mới thông báo thủ tục cập nhật có thể khép lại cả hai bên.
Việc cập nhật và chứng thực vị trí một MS còn nhằm mục đích làm giảm ăn trộm thiết bị viển thông. Hệ thống NSS là cơ sở dữ liệu của thuê bao còn EIR chứa một khoá nhận dạng bí mật IMEI nhằm kiểm tra chứng thực thuê bao trong mạng GSM. Việc kiểm tra có thể tiến hành qua các bước như sau:
Hình 2.31b: Kiểm tra IMEI
• Khi thiết bị kiểm tra là tích cực, MSC/VLR mới yêu cầu mã nhận dạng thiết bị IMEI từ MS bằng một bản tin IDENT_REQ thông qua BSC và BTS như đã trình bày. Và việc đáp ứng yêu cầu là điều tất nhiên bằng một bản tin IDENT_RSP chứa IMEI cho MSC/VLR mới chứng thực.
• Để chứng thực MSC/VLR gửi nó thông qua bản tin yêu cầu kiểm tra IMEI cho EIR thông qua bản tin checkIMEI, và việc kiểm tra sẻ được EIR tiến hành.
• Một kết quả chứng thực sẻ được gửi trở lại MSC/VLR, nếu IMEI không bao gồm trong ‘back list’.