Kiến trúc hệ thống GSM đƣợc chia làm 3 phần: phân hệ trạm gốc BSS, phân hệ chuyển mạch và mạng NSS, phân hệ vận hành và bảo dƣỡng OSS. Mỗi phân hệ có các nhiệm vụ riêng và đƣợc cấu trúc bởi các thực thể chức năng. BSS gồm có bộ thu phát gốc BTS và bộ điều khiển trạm gốc BSC. BSS cung cấp và quản trị tuyến thông tin giữa thuê bao di động MS và NSS. NSS là bộ não của toàn bộ mạng GSM, nó bao gồm trung tâm chuyển mạch cho di động MSC và 4 nút mạng thông minh là đăng ký thuê bao nhà HLR, đăng ký thuê bao khách VLR, đăng ký nhận dạng thiết bị EIR và trung tâm nhận thực AuC. OSS cung cấp phƣơng tiện để các nhà cung cấp dịch vụ có thể điều khiển và quản trị mạng. Nó gồm các trung tâm vận hành và bảo dƣỡng OMC làm nhiệm vụ khai thác, quản lý, bảo dƣỡng.
Hình 3.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống GSM
Nguyên thủy thì phân hệ OSS thuộc quyền sở hữu của mạng và không liên quan đến báo hiệu. Còn đứng về mặt thuật ngữ của lớp vật lý thì môi trƣờng không khí trên giao diện MS-BTS để truyền dẫn sóng vô tuyến và dùng LAP-D là giao thức lớp 2. MSC không kết nối trực tiếp với BTS mà thông qua BSC, đƣợc coi nhƣ là giao diện giữa phần vô tuyến và phần chuyển mạch. Kết nối giữa BTS và BSC
thông qua giao diện A–bis. Giao diện A-bis là đƣờng liên kết số 64 kbps, sử dụng 3 giao thức để truyền tải thông tin báo hiệu đến MSC:
o Thủ tục truy nhập đƣờng trên kênh D (LAPD) o Quản trị trạm thu phát gốc (BTSM)
o Bảo dƣỡng và vận hành A-bis (ABOM) o Phần ứng dụng truyền tải trực tiếp (DTAP)
Giao thức LAPD đƣợc dùng nhƣ giao thức lớp 2, cung cấp khả năng trao đổi thông tin cần thiết từ nút - nút để gửi các gói tin qua mạng. Giao thức BTSM dùng để quản lý các thiết bị vô tuyến của trạm gốc và giao diện giữa trạm gốc với MSC. Dữ liệu và các thông tin báo hiệu khác đƣợc gửi từ trạm gốc thông qua một giao thức của SS7 - phần DTAP.
Hình 3.3: Phân lớp chức năng của SS7 trong mạng GSM
Các giao thức SS7 đƣợc sử dụng trong mạng di động để cung cấp thông tin báo hiệu cho việc thiết lập và giải phóng các kết nối cũng nhƣ chia sẻ những thông tin trong cơ sở dữ liệu cho các thực thể của mạng. Ngăn xếp của SS7 sử dụng cho mạng di động đƣợc thể hiện trên hình 3.3.
MSC kết nối với mạng cố định thông qua giao thức ISUP hoặc TUP. Cùng với MTP và SCCP, còn có thêm một số các giao thức khác để MSC giao tiếp với các thực thể khác trong hệ thống GSM. Đó là các giao thức:
o Phần ứng dụng di động phân hệ trạm gốc BSSMAP o Phần ứng dụng truyền tải trực tiếp DTAP
o Phần ứng dụng khả năng phiên dịch TCAP
Trên giao diện A giữa phân hệ BSS và MSC sử dụng phần ứng dụng hệ thống trạm gốc BSSAP. BSSAP có thể đƣợc chia thành phần ứng dụng quản trị hệ thống trạm gốc BSSMAP và phần ứng dụng truyền tải trực tiếp DTAP.
BSSAP đƣợc sử dụng để trao đổi các bản tin giữa BSC và MSC mà BSC thực sự phải xử lý ví dụ nhƣ bản tin quản trị tài nguyên vô tuyến RR. Còn DTAP bao gồm những bản tin mà phân hệ NSS và máy di động MS trao đổi với nhau. Những bản tin này (ví dụ bản tin quản trị kết nối CM, bản tin quản trị di động MM) là trong suốt đối với BSC. BSC chỉ làm chức năng chuyển tiếp bản tin mà không xử lý nó.
Phần ứng dụng di động MAP là giao thức của SS7 hỗ trợ cho mạng di động. Nó định nghĩa những hoạt động giữa các thành phần mạng nhƣ MSC, HLR, VLR, EIR và mạng cố định. Các lớp truyền tải, phiên và trình diễn không sử dụng trong SS7, các chức năng này đƣợc nhóm trong lớp ứng dụng sử dụng ISUP và TUP. Các giao thức MAP đƣợc thiết kế là MAP/B và MAP/H tuỳ thuộc vào chức năng của giao tiếp. Các giao diện và giao thức của GSM đƣợc trình bày trong bảng 3.1 và hình dƣới đây.
Bảng 3.1: Các giao diện và giao thức cơ bản của hệ thống GSM
Giao diện Liên kết Mô tả
Um MS-BSS Giao tiếp môi trƣờng đƣợc sử dụng để trao đổi thông tin giữa MS-BSS. LAPDm là thủ tục sửa đổi từ LAPD d cho báo hiệu.
Abis BSC-BTS Giao diện nội bộ của BSS sử dụng liên kết giữa BSC và BTS. Abis cho phép điều khiển thiết bị vô tuyến và chỉ định tần số trong BTS.
A BSS-MSC Quản lý nguồn tài nguyên và tính di động của MS. B MSC-VRL Xử lý báo hiệu giữa MSC và VRL. Giao tiếp B sử
dụng giao thức MAP/B.
C GMSC-
HRL SMSG- HRL
Sử dụng để điều khiển các cuộc gọi từ trong vùng GSM ra ngoài và ngƣợc lại. Giao thức MAP/C sử dụng cho thông tin định tuyến và tính cƣớc qua các gateway.
D HRL-VRL Giao thức MAP/D sử dụng để trao đổi dữ liệu liên quan tới vị trí của MS và các số liệu phụ của thuê bao.
E MSC-MSC Giao thức MAP/E sử dụng để trao đổi thông tin chuyển vùng giữa các MSC.
F MSC-EIR Giao thức MAP/F sử dụng để xác nhận trạng thái IMEI của MS.
G VRL-VRL Giao thức MAP/G sử dụng để chuyển các thông tin thuê bao trong các thủ tục cập nhật vị trí vùng.
H MSC-
SMSG
Giao thức MAP/H hỗ trợ truyền bản tin nhắn tin ngắn SMS.
I MSC-MS Giao diện I là giao diện giữa MSC và MS. Các bản tin trao đổi qua giao diện I qua BSS là trong suốt.
Các hoạt động điều hành của MAP có thể chia thành 5 phần chính nhƣ sau: quản lý di động; vận hành và bảo dƣỡng; xử lý cuộc gọi; hỗ trợ dịch vụ bổ sung; dịch vụ bản tin ngắn SMS.
Quản lý di động
Các tác vụ quản lý di động gồm một số các nội dung sau: Quản lý vị trí, tìm kiếm vị trí của MS, quản lý truy nhập, chuyển giao vùng, quản lý nhận thực, quản lý bảo mật, quản lý IMEI, quản lý thuê bao, nhận dạng thuê bao và khôi phục lỗi.
Để hạn chế các thông tin trao đổi giữa HRL, các HRL chỉ chứa các thông tin về MSC/VRL quản lý thuê bao hiện thời. Việc quản lý vị trí gồm một số tác vụ nhƣ: Cập nhật vùng, loại bỏ vùng, gửi nhận dạng, xác định MS.
Chuyển vùng giữa các MSC đƣợc thực hiện bởi một chuỗi các thủ tục báo hiệu gồm: Chuẩn bị chuyển vùng, gửi tín hiệu tới kết cuối, xử lý báo hiệu truy nhập, chuyển báo hiệu truy nhập và chuyển vùng. Các thủ tục cơ bản đƣợc thể hiện qua ví dụ trên hình 3.5 dƣới đây. Các thủ tục đƣợc thực hiện qua giao thức MAP/E, cập nhật vị trí mới của MS đƣợc thực hiện qua MAP/D không thể hiện trong hình vẽ.
Vận hành và bảo dưỡng
Vận hành và bảo dƣỡng đƣợc chia thành hai vùng chính: Giám sát thuê bao và nhiệm vụ hỗn hợp. Giám sát thuê bao gồm hai trạng thái kích hoạt và không kích hoạt, trạng thái kích hoạt giám sát thuê bao đƣợc khởi tạo từ HRL yêu cầu VRL kiểm tra trạng thái của thuê bao và gửi về MSC để giám sát MS. Nhiệm vụ hỗn hợp sử dụng trong mạng GSM hiện nay chỉ thực hiện nhiệm vụ trao đổi thông tin về thuê bao giữa HRL và VRL.
Xử lý cuộc gọi
Các thủ tục xử lý cuộc gọi chủ yếu dựa trên các thông tin định tuyến, khi các thuê bao tìm kiếm và xác nhận các địa chỉ MSC đích, các thủ tục do MAP không còn cần thiết. Riêng việc xử lý cuộc gọi qua gateway của trung tâm chuyển mạch di động GMSC thì vẫn phải sử dụng các giao thức MAP/C.
Hình 3.6: Các điều hành của MAP trong trường hợp cuộc gọi từ mạng PSTN
Trong trƣờng hợp một thuê bao từ mạng cố định PSTN gọi sang mạng di động, các bản tin khởi tạo ISUP IAM đƣợc gửi tới gateway chứa thông tin số bị gọi. Dựa trên các con số này, mạng PSTN định tuyến cuộc gọi tới GMSC thích hợp. GMSC chứa nhận dạng thuê bao di động trong cơ sở dữ liệu sẽ sử dụng điều hành MAP tới HRL để tim kiếm MS. Nếu thuê bao đang trong trạng thái chuyển vùng, các thông tin trao đổi giữa HRL và VRL đƣợc thực thi để đảm bảo quá trình định tuyến thành
công. Hình vẽ 3.6 chỉ ra thủ tục của MAP trong trƣờng hợp cuộc gọi từ mạng PSTN.
Hỗ trợ dịch vụ bổ sung
Các dịch vụ bổ sung đƣợc thực thi qua các điều hành MAP gồm có một số tác vụ nhƣ: Đăng ký dịch vụ bổ sung, xoá dịch vụ bổ sung, kích hoạt dịch vụ bổ sung, huỷ bỏ kích hoạt dịch vụ bổ sung, liên kết điều hành dịch vụ bổ sung, đăng ký mật khẩu và lấy mật khẩu.
Dịch vụ bản tin ngắn SMS
Dịch vụ bản tin ngắn SMS là một trong các dịch vụ cơ bản của hệ thống di động GSM, các điều hành dịch vụ bản tin ngắn SMS gồm có một số tác vụ: Chuyển bản tin ngắn, gửi thông tin định tuyến cho bản tin ngắn, báo cáo trạng thái bản tin, cảnh báo từ trung tâm nhắn tin và thông tin của trung tâm dịch vụ. Các thông tin trao đổi giữa MSC đƣợc thực hiện qua giao thức MAP/E đƣợc chỉ ra trên hình vẽ 3.7 dƣới đây.
Hình 3.7: Điều hành MAP liên quan tới dịch vụ bản tin ngắn SMS