1.3.1. Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM.
Mạng thông tin di động GSM sử dụng hệ thống báo hiệu số 7 (báo hiệu kênh chung) để thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi. Báo hiệu số 7 là mạng dữ liệu chuyển mạch g i được thiết kế để trao đổi báo hiệu.
Các giao thức giữa BSC-BTS-MS.
Các giao thức này sử dụng trong các giao diện Um và Abis theo chuẩn của ETSI. Các giao thức này hỗ trợ các chức năng của BTS và BSC như sau:
Gửi các thông tin của mạng và Cell. Thông tin được cập nhật từ BSC, truyền liên tục tới BTS và lưu trong BTS.
Nhắn tin: Được khởi tạo từ MSC cho phép BSC hoạt động thông qua BSSMAP. BSC lần lượt cho phép các BTS trong một vùng định vị hoạt động. Các BTS gửi các cuộc gọi nhắn, kiểm tra tín hiệu trả lời và gửi thông báo tới BSC. BTS cũng nhận các cuộc nhắn tin từ MS và gửi tới BSC.
Cung cấp và giải h ng ênh điều khiển (SDCCH). BSC thực hiện các chức năng này, BTS sẽ xử lý trao đổi các thông tin tới MS hoặc từ MS.
Cung cấp và giải h ng ênh lưu lượng (TCH) để thiết lập, xoá và chuyển giao. BSC thực hiện các chức năng này và BTS xử lý các khối kênh liên quan. Nhận định hoàn thành việc chuyển giao. BTS báo với BSC hi n đã hát
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 27 Điều khiển mã hóa/giải mã. BTS thực hiện chức năng ích hoạt và giải
phóng việc mã hoá theo yêu cầu của BSC.
Điều khiển các mã thoại và thích ứng tốc độ của các kênh thông tin. Thiết bị thích ứng tốc độ mã hoá (TRAU) thường được đặt trong BSC nhưng được điều khiển bởi BTS xác định các ênh lưu lượng.
Kiểm tra chất lượng truyền dẫn và độ dài tín hiệu trong các ênh hướng lên đang hoạt động và ở chế độ Idle (rỗi). Kiểm tra được thực hiện ở BTS và được thông báo tới BSC.
Giao diện vô tuyến cũng bao gồm các chức năng được tự động xử lý bởi BTS.
Thông tin đồng bộ và số nhận dạng MS được gửi liên tục tới BTS.
Chức năng điều khiển tần số được xử lý bởi BTS, các tín hiệu điều khiển này được gửi liên tục từ BTS.
Giao diện vô tuyến cũng c các chức năng: mã hoá ênh, ghép kênh, quản lý Burst, TDMA và điều chế.
Các giao thức giữa MSC-BSC và MSC-MS:
Giao thức báo hiệu BSSAP chứa các phần tử sau: các bản tin BSSMAP, DTAP và INTIAL MS.
Các bản tin DTAP trao đổi giữa MSC và MS để đăng ý và nhận thực khi MS tắt. Các bản tin TDAP được chuyển qua BSC và BTS.
Các bản tin khởi tạo MS (IMSI) được truyền giữa MSC và MS để cập nhật vị trí và nhắn tin.
BSSMAP là giao thức được sử dụng giữa MSC và BSC để nhắn tin, thực hiện cuộc gọi, chuyển giao, cung cấp, duy trì các ênh lưu lượng và để mã hoá trong BTS, MS. Giao thức này cũng được dùng để duy trì các khe thời gian trên các kênh PCM giữa MSC và BSC.
Các giao thức giữa các trung tâm chuyển mạch di động MSC:
Khi thực hiện chuyển giao giữa các MSC, MAP được sử dụng báo hiệu chuyển giao trong hi ISUP được sử dụng để thiết lập và xoá các kết nối.
Các giao thức giữa GMSC và MSC:
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 28
Các giao thức giữa MSC và HLR, VLR, AuC và EIR:
MAP được sử dụng cho tất cả các báo hiệu. Nó hỗ trợ đăng ý, báo hiệu các số roaming, nhận thực và nhận dạng thiết bị.
Các giao thức với các mạng ngoài:
Sử dụng TUP, ISUP và các giao thức liên quan tới kênh.
1.3.2. Các giao diện trong hệ thống GSM.
Abis: BSC – BTS Um (vô tuyến): MS-BTS
A: BSC – MSC E: MSC – MSC
B: MSC – VLR F: MSC – EIR
C: MSC – HLR G: VLR – VLR
D: VLR – HLR H: HLR – AuC
1.3.3. Các khía cạnh mạng.
1.3.3.1. Quản lý tài nguyên vô tuyến.
Quản lý tài nguyên vô tuyến là một lớp chức năng trong quản lý mạng, được xem xét thông qua việc thiết lập một kênh truyền giữa MS và MSC. Các phần tử chức năng chính là MS, BSS và MSC. RR quản lý một phiên RR là thời gian mà thiết bị di động ở một trạng thái xác định sử dụng các kênh vô tuyến. Một phiên RR được khởi tạo từ MS thông qua một thủ tục truy nhập mạng hoặc cho cuộc gọi đi hoặc nhận bản tin nhắn. Khi nào một ênh được cung cấp cho MS hay phân kênh sẽ được xử lý trong lớp RR. Hơn nữa, lớ RR cũng quản lý cả các đặc tính vô tuyến như điều khiển công suất, truyền nhận gián đoạn và định thời.
Chuyển giao (Handover).
Một trở ngại trong việc triển khai mạng thông tin di động tế bào là vấn đề phát sinh khi một thê bao di động chuyển từ Cell này sang Cell khác. Các khu vực kề nhau trong hệ thống tế bào sử dụng các kênh vô tuyến có tần số khác nhau. Khi thuê bao di động chuyển sang từ Cell này sang Cell khác thì cuộc gọi hoặc bị hủy cuộc gọi hoặc tự động chuyển từ kênh vô tuyến này sang kênh vô tuyến khác thuộc Cell khác. Thay vì để cuộc gọi bị hủy, quá trình Handover giúp cho cuộc gọi được liên tục trong quá trình đàm thoại, hai thuê bao cùng chiếm một kênh thoại. Khi một thuê bao di động chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của Cell cho trước, tín hiệu
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 29 đầu thu của Cell này sẽ giảm, lúc đ , Cell đang sử dụng sẽ yêu cầu một Handover (chuyển giao) đến hệ thống. Hệ thống sẽ chuyển mạch cuộc gọi đến một Cell có tần số với cường độ tín hiệu thu mạnh hơn mà hông làm gián đoạn cuộc gọi hay cảnh báo đến người sử dụng. Cuộc gọi sẽ được tiếp tục mà người sử dụng không nhận thấy quá trình Handover diễn ra.
Quyết định có thực hiện chuyển giao hay không phục thuộc vào BSC phục vụ. Khi gọi, MS định kỳ gửi kết quả đo tới BTS. BTS phục vụ đo đường lên về chất lượng tín hiệu vô tuyến cuộc gọi và trước kết quả đo từ MS. Cả hai kết quả đo được BTS gửi tới BSC. Dựa vào bản tin báo cáo kết quả đo BSC sẽ quyết định có chuyển giao tới Cell khác hay không? Quyết định đ được thực hiện bởi một thuật toán đã được cài đặt và thông số của n do người quản trị cài đặt. Có các loại chuyển giao hác nhau và trong đ c các hần tử khác nhau của mạng. Chuyển giao trong cùng BSC hay giữa các BTS không phức tạ như giữa các MSC.
Hình 1.12: Chuyển giao trong mạng GSM.
Trong mạng Cellular, các kênh vô tuyến và cố định hông được cấp phát lâu dài cho một cuộc gọi. Cuộc gọi sẽ được chuyển sang một kênh hoặc một Cell khác, được gọi là chuyển giao. Việc kiểm tra và thực hiện chuyển giao tạo nên một trong những chức năng cơ bản của lớp RR. Có 4 loại chuyển giao khác nhau trong hệ thống GSM, được thực hiện giữa:
Các kênh (các khe thời gian) trong cùng một Cell. Các Cell (BTS) do một BSC điều khiển.
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 30 Các Cell dưới sự điều khiển của nhiều BSC hác nhau nhưng thuộc cùng
một MSC.
Các Cell của các MSC khác nhau.
Chuyển giao trong BTS.
Được chuyển giao trong Cell hay trong cùng BTS. Chuyển giao trong Cell trên thực tế là không có thực. Vì kết quả của nó chỉ để thay đổi tần số của cuộc gọi đang xảy ra. Thay đổi tần số được thực hiện khi chất lượng liên kết giảm và sự đo lường các Cell kế bên cũng hông tốt hơn. Trong trường hợ này BSC điều khiển BTS phục vụ MS ra lệnh cho MS và BTS trở về tần số có chất lượng tốt hơn. Việc làm giảm chất lượng liên kết là do ảnh hưởng của các cuộc gọi khác trong các Cell lân cận sử dụng chung tần số (Nhiễu đồng kênh). Giải há là để cố gắng thay đổi sang một kênh khác (khe thời gian khác) mà có thể đảm bảo tốt hơn cho cuộc gọi.
Hình 1.13: Chuyển giao trong BTS.
Chuyển giao trong cùng một BSC:
Chuyển giao trong cùng BSC thực hiện khi Cell đích được điều khiển bởi một BTS khác từ Cell nguồn và cả hai BTS được điều khiển bởi cùng một BSC. MSC không liên quan tới quá trình chuyển giao, nó chỉ được BSC thông báo khi chuyển giao hoàn thành. Nếu Cell đích được đặt trong vùng LA khác, MS cần thực hiện cập nhật vị trí một thủ tục sau khi kết thúc cuộc gọi.
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 31
Hình 1.14: Chuyển giao trong cùng BSC.
Chuyển giao giữa hai BSC khác nhau nhưng cùng một MSC/VLR:
Khi BSC quyết định chuyển giao là cần thiết, nhưng Cell đích hông được điều khiển bới chính nó, nó cần sự giú đỡ từ MSC để tìm ra chính xác Cell đang được BSC nào đ quản lý, lúc này MSC mới tham gia vào quá trình chuyển giao. Cell đích sẽ được xác định đúng vị trí trong một BSS hác nào đ mà cũng được quản lý cùng một MSC. hi tìm ra BSS đích, MSC sẽ kết nối BSS nguồn với BSS đích và gửi tin báo cho BSS nguồn hi đã sẵn sàng. Sau đ quá trình yêu cầu BTS đích cấp tài nguyên, khi cấp tài nguyên thành công, MS được chỉ dẫn để truy cập kênh mới và cuộc gọi được chuyển sang BSS mới.
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 32
Chuyển giao giữa hai vùng phục vụ MSC/VLR:
Thủ tục chuyển giao giữa các MSC hác nhau được thực hiện khi các Cell đích ết nối tới MSC khác (MSC-B) với yêu cầu chuyển giao. Yêu cầu MSC – B cấp tài nguyên cho cuộc gọi như trong trường hợp intra – MSC.
Hình 1.16: Chuyển giao giữa các MSC khác nhau.
hi tài nguyên được cấp, cuộc gọi được chuyển mạch như trong trường hợp intra – MSC. Vì MS đã chuyển sang một Cell hác (được phục vụ bởi BSS/MSC- VLR) mà MSC – A có tất cả thông tin về thuê bao trong VLR của nó. Thông tin chỉ được chuyển qua MSC/VLR mới hi LU được thực hiện. Do vậy, LU luôn được yêu cầu khi kết thúc cuộc gọi, khi chuyển giao giữa các MSC thực hiện xong. 1.3.3.2. Quản lý di động.
Quản lý di động cũng là một lớp chức năng, là lớp trên lớp RR, xử lý các chức năng di động của thuê bao và thực hiện nhận thực và bảo mật. Quản lý vị trí liên quan tới các thủ tục cho phép hệ thống biết vị trí hiện tại của thiết bị di động để thực hiện định tuyến các cuộc gọi.
Cập nhật vị trí:
MS được thông báo có một cuộc gọi đến bởi một bản tin ngắn được gửi qua kênh PAGCH của Cell. Một phần của ênh được sử dụng để nhắn trong mỗi Cell trong mạng, một phần được dùng để MS truyền các bản tin cập nhật vị trí ở cấ độ Cell tới mạng. Do đ các bản tin nhắn được gửi chính xác tới một Cell nhưng sẽ rất lãng hí băng thông do số lượng các bản tin cập nhật vị trí lớn. Một giải há được
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 33 thực hiện trong GSM là nhóm các Cell thành các vùng định vị LAI (Location Area). Chỉ hi LA thay đổi, MS mới gửi các bản tin cập nhật và các MS được nhắn trong các Cell của vùng định vị.
Các thủ tục cập nhật và định tuyến cuộc gọi thực hiện trong MSC, VLR và HLR. Khi MS vào một LA mới hoặc PLMN của một nhà vận hành khác, nó phải đăng ý với mạng để chỉ ra vị trí hiện tại của mình. Thông thường, bản tin cập nhật vị trí được gửi tới MSC/VLR mới mà lưu các thông tin về vùng định vị, sau đ gửi các thông tin này tới HLR của thuê bao. Thông tin được gửi tới HLR là địa chỉ SS7 của VLR mới, nó có thể là số định tuyến. Nếu thuê bao được phép sử dụng dịch vụ, HLR gửi một tập các thông tin cần cho việc điều khiển cuộc gọi tới MSC/VLR mới và gửi một bản tin tới MSC/VLR cũ để xoá đăng ý cũ.
Để đảm bảo độ tin cậy, GSM thực hiện một thủ tục cập nhật vị trí định kỳ. Thủ tục này liên quan tới cập nhật vị trí là gán và tách IMSI (IMSI attach/detach). Thực hiện detach chỉ ra rằng mạng không thể đạt tới MS nữa và không phải cấp phát các kênh và gửi bản tin nhắn. Một Attach tương tự như cập nhật vị trí thông báo cho mạng MS trở lại trạng thái hoạt động.
Nhận thực và bảo mật:
Vì tài nguyên vô tuyến có thể được truy nhập bởi bất kỳ người nào, nên việc nhận thực người sử dụng là thành phần rất quan trọng trong mạng di động. Nhận thực được thực hiện giữa SIM card trong MS và trung tâm nhận thực AuC. Mỗi thuê bao có một khoá bảo mật, được lưu đồng thời trong SIM và AuC. Trong khi nhận thực AuC sẽ phát số ngẫu nhiên tới MS. Cả MS và AuC sau đ sử dụng số ngẫu nhiên này cùng với mã bảo mật của thuê bao và thuật toán mã hoá để phát một đá ứng được ký hiệu (SRES) lại AuC. Nếu số được gửi từ MS giống với số được tính toán trong AuC, thuê bao sẽ được nhận thực.
Một cấp bảo mật hác được thực hiện trong MS, mỗi thiết bị GSM được nhận dạng bởi số IMEI và được nhận thực bởi số này.
1.3.3.3. Quản lý truyền thông.
Quản lý truyền thông (CM) là lớp trên cùng, phục vụ điều khiển cuộc gọi, quản lý dịch vụ hỗ trợ và quản lý dịch vị bản tin ngắn. Mỗi chức năng được xem xét là một phân lớp trong lớp CM. Các chức năng của một phân lớp bao gồm thiết lập, lựa chọn một dịch vụ và xoá một cuộc gọi.
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 34
Định tuyến cuộc gọi:
Không giống như định tuyến một cuộc gọi trong mạng cố định mà thiết bị được kết nối với bộ phận trung tâm, người sử dụng GSM có thể chuyển vùng quốc gia và quốc tế. Số quay trực tiế để đạt tới thuê bao di động được gọi là MSISDN, được định nghĩa bởi kế hoạch đánh số E. 164.
Một cuộc gọi kết cuối di động được gửi tới chức năng GMSC. GMSC là một bộ chuyển mạch kết nối với HLR lấy các thông tin định tuyến. Do đ n c một bảng các MSISDN to HLR tương ứng. Thông tin định tuyến được gửi lại GMSC là số roaming di động (MSRN). Các MSRN liên quan tới kế hoạch đánh số vùng địa lý, hông được cung cấp cho thuê bao. Thủ tục định tuyến thường được sử dụng nhất bắt đầu với việc truy vấn HLR của thuê bao bị gọi để lấy MSRN. HLR chỉ lưu các địa chỉ SS7 VLR hiện tại của thuê bao mà không có MSRN. HLR do đ hải truy vấn VLR hiện tại của thuê bao mà cung cấp tạm thời MSRN. MSRN này được gửi lại HLR và GMSC, sau đ cuộc gọi được định tuyến tới MSC mới. Tại MSC mới, IMSI tương ứng MSRN được kiểm tra và thiết bị di động được nhắn trong vùng định vị hiện tại đang c mặt.
1.4. GIAO TIẾP VÔ TUYẾN.
Giao tiếp vô tuyến là tên gọi chung của đấu nối giữa MS và BTS. Giao tiếp sử dụng khái niệm TDMA với một khung TDMA cho một tần số mang. Một khung gồm 8 khe thời gian (Time slot - Ts).
1.4.1. Khái niệm về các kênh vô tuyến.
Mạng GSM/PLMN được dành 124 kênh sóng mang, sóng này ở dải tần: