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: - Đường lên (MS - BTS): 890 - 915 MHz.
- Đường xuống (BTS - MS): 935 - 960 MHz.
Băng tần đường lên 890,2 – 914,8 MHz và đường xuống 935,2 – 959,8 MHz. Mỗi tần số sóng mang cách nhau 200 KHz, trên mỗi sóng mang thực hiện ghép kênh theo thời gian, thực hiện ghép khung TDMA ta có số kênh bằng: 124x8 (TS) = 992 kênh.
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 35 1.4.1.1. Kênh vật lý.
Kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến của GSM. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA dài 4,615 ms gồm có 8 khe thời gian (một khe dài 577μs). Tại BTS, các khung TDMA ở các kênh tần số ở cả đường lên và đường xuống đều được đồng bộ, mỗi MS được cấp một khe thời gian có cùng số thứ tự ở hướng lên hay hướng xuống để truyền bán song công.
Về mặt thời gian, các kênh vật lý ở một kênh tần số được tổ chức theo cấu trúc khung, đa hung, siêu đa hung, siêu siêu hung như hình vẽ:
Hình 1.17: Tổ chức khung trong GSM.
Một ênh siêu hung được chia thành 2048 siêu khung với thời gian là 6,12s. Siêu khung lại được chia thành các đa hung, có hai loại đa hung.
- Đa hung 26 hung chứa 26 khung TDMA. Đa hung này được sử dụng để mang TCH (SACCH + FACCh). 51 đa hung này tạo nên một siêu khung. - Đa hung 51 hung chứa 51 khung TDMA. Đa hung này sử dụng để mang
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 36 Kênh vật lý được tổ chức theo quan niệm truyền dẫn. Đối với TDMA GSM thì kênh vật lý là một khe thời gian ở tần số sóng mang vô tuyến được chỉ định trước.
1.4.1.2. Kênh logic.
Các ênh logic là các ênh được phân biệt theo chức năng, mang các thông tin điều khiển, báo hiệu giữa các BTS và MS các kênh logic này được đặt vào các kênh vật lý nói trên. Có thể chia các kênh logic này gồm hai loại kênh: Các kênh lưu lượng (TCH) và các kênh báo hiệu điều khiển.
Hình 1.18: Phân loại kênh logic.
Kênh lưu lượng (TCH - Traffic Channel):
TCH mang tiếng được mã hoá hoặc số liệu của người sử dụng, có hai kênh lưu lượng.
Bm hay TCH toàn tốc (TCH/F - Traffic Channel at Fullrate): Kênh này mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 22,8 Kbps.
Lm hay TCH bán tốc (TCH/H - Traffic Channel at Halfrate): Kênh này mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 11,4 Kbps.
Nghiên cứu giải pháp an toàn tín hiệu thoại theo công nghệ GSM. Page 37
Kênh báo hiệu điều khiển CCH:
Các kênh báo hiệu điều khiển được chia làm ba loại: ênh điều khiển quảng bá, ênh điều khiển chung, kênh dành riêng.
Kênh quảng bá BCH (Broadcast Channel) lại bao gồm các kênh nhỏ:
- Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frenquency Correction Channel): mang thông tin để hiệu chỉnh tần số MS.
- ênh đồng bộ SCH (Synchronous Channel): mang thông tin để đồng bộ khung (số khung TDMA) mang thông tin để hiệu chỉnh tần số MS.
- ênh điều khiển quảng bá (BCCH - Broadcast Common Control Channel): Kênh phát quảng bá các thông tin chung về ô. Các bản tin này gọi là thông tin hệ thống, BCCH chỉ sử dụng cho đường xuống.
Các ênh điều khiển chung (CCCH - Common Control Channel) gồm:
- Kênh tìm gọi (PCH - Paging Channel) sử dụng cho đường xuống từ BTS để tìm gọi máy di động MS.
- Kênh thâm nhập ngẫu nhiên (RACH - Random Access Channel): là kênh hướng lên để MS dùng để yêu cầu cung cấp một kênh dành riêng SDCCH. Yêu cầu này thể hiện trong bản tin đầu của MS gửi đến BTS trong quá trình một cuộc liên lạc.
- Kênh cho phép thâm nhập (AGCH - Access Grant Channel): là ênh hướng xuống, mang tin tức đá lại của BTS đối với bản tin yêu cầu kênh của MS để thực hiện một ênh lưu lượng và kênh DCCH cho MS.
Các ênh điều khiển dành riêng (DCCH-Dedicated Control Channel) gồm: - ênh điều khiển dành riêng đứng một mình (SDCCH - Stand Alone
DCCH): là ênh dùng để cập nhật vị trí và thiết lập cuộc gọi trước khi ấn định một TCH. ênh đường lên/ ênh đường xuống, điểm đến điểm.
- ênh điều khiển liên kết chậm (SACCH - Slow Associcated Control