Đồ án tốt nghiệp
lời mở đầu
Hiện nay trên thế giới mọi mặt của đời sống xã hội đều phát triển, không
những về kinh tế, khoa học tự nhiên mà còn rất nhiều lĩnh vực khác. Ngành thông
tin liên lạc đợc coi là ngành mũi nhọn cần phải đi trớc một bớc, làm cơ sở cho các
ngành khác phát triển. Nhu cầu trao đổi, cập nhật thông tin của con ngời ở mọi
nơi mọi lúc ngày càng cao. Thông tin di động ra đời và phát triển đã trở thành một
loại hình dịch vụ, phơng tiện thông tin phổ biến, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống
hiện đại. Các hệ thống thông tin di động đang phát triển rất nhanh cả về qui mô,
dung lợng và đặc biệt là các loại hình dịch vụ mới để đáp ứng tốt hơn nhu cầu của
ngời sử dụng.
ở Việt Nam, mạng di động số thế hệ thứ hai (2G), sử dụng công nghệ GSM,
đang đợc phát triển rộng khắp các tỉnh và thành phố. GSM với tốc độ 9,6 kbps chỉ
áp dụng đợc các dịch vụ thoại và dịch vụ bản tin ngắn, hạn chế nhiều dịch vụ phi
thoại yêu cầu tốc độ cao nh hình ảnh, văn bản và đặc biệt là nhu cầu truy nhập
Internet... Trong khi trên thế giới, rất nhiều nớc đã tiến lên thế hệ điện thoại di
động thứ ba (3G). Thế hệ thứ ba này có tốc độ truyền dẫn cao hơn, cung cấp đợc
nhiều loại hình dịch vụ, đáp ứng đợc nhu cầu hiện nay.
Việc xây dựng, phát triển mạng điện thoại di động thứ ba ở Việt Nam hiện
nay là thực sự cần thiết. Nhng nếu đầu t thẳng lên 3G thì cần lợng vốn bỏ ra rất
lớn mà lại lãng phí cơ sở hạ tầng mạng di động sẵn có. Vì vậy, để tiến tới thế hệ
thông tin di động thứ ba này cần qua một bớc trung gian gọi là thế hệ thông tin di
động 2,5G; đó là dịch vụ thông tin di động vô tuyến chuyển mạch gói GPRS
(General Packet Radio Service). Triển khai GPRS cho phép vẫn tận dụng cơ sở
mạng GSM sẵn có, đồng thời có thể đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ lớn,
từng bớc xây dựng mạng điện thoại thế hệ thứ ba. Đó là lý do tôi chọn đề tài
- 1 -
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc mạng GPRS trên nền mạng thông tin di động GMS thế
hệ thứ hai cho đồ án tốt nghiệp của mình. Hy vọng đồ án này sẽ có thể áp dụng
trực tiếp vào việc phát triển mạng điện thoại di động của Việt Nam trong điều
1800 MHz. ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng cho dịch vụ PCS 1900 tại vùng đông bắc
California và Nevada. Do PCS 1900 sử dụng tần số 1900 MHz, nên các điện thoại
không có khả năng kết nối hoạt động với điện thoại GSM hoạt động trong các
mạng ở tần số 900 MHz hay 1800 MHz. Tuy nhiên vấn đề này có thể khắc phục
đợc với các máy điện thoại đa băng hoạt động trong nhiều tần số.
Vào đầu năm 1980, thị trờng hệ thống điện thoại tế bào tơng tự đã phát triển
rất nhanh ở Châu Âu. Mỗi một nớc đã phát triển một hệ thống tế bào độc lập với
các hệ thống của các nớc khác. Sự phát triển không đợc hợp tác của các hệ thống
thông tin di động quốc gia có nghĩa là sẽ không có khả năng cho thuê bao sử
dụng cùng một máy di động cầm tay khi di chuyển trong Châu Âu. Không chỉ các
thiết bị di động bị hạn chế khai thác trong biên giới quốc gia, mà còn có một thị
trờng rất hạn chế đối với mỗi kiểu thiết bị, vì thế tiết kiệm chi phí có thể không
thực hiện đợc. Ngoài một thị trờng trong nớc đầy đủ với các mẫu chung, có thể
- 3 -
Đồ án tốt nghiệp
không có một nhà chế tạo nào cạnh tranh đợc trên thị trờng thế giới. Hơn nữa,
chính phủ các nớc nhận thức rõ là các hệ thống thông tin không tơng thích có thể
cản trở tiến trình để đạt đợc một tầm nhìn chiến lợc của họ về một Châu Âu với
nền kinh tế thống nhất.
Với những cân nhắc nêu trên, hội nghị điện thoại điện báo gồm 26 quốc gia
Châu Âu (CEPT) đã thành lập một nhóm nghiên cứu gọi là Groupe Spéciale
Mobile vào năm 1982 để nghiên cứu và phát triển một hệ thống thông tin liên
Châu Âu. Đến năm 1986 tình hình trở nên sáng sủa vì một số mạng tế bào tơng tự
hiện tại có thể sử dụng hết dung lợng vào năm 1990. CEPT khuyến nghị rằng hai
khối tần số trong băng tần 900 MHz đợc dự trữ cho hệ thống mới. Tiêu chuẩn
GSM chỉ rõ các băng tần từ 890 đến 915MHz cho băng thu và từ 935 đến 960
MHz cho băng phát với mỗi băng đợc chia thành các kênh 200 MHz.
Hệ thống thông tin di động đợc CEPT đa ra đã đáp ứng đợc các tiêu chuẩn nh
sau:
- Cung cấp âm thoại chất lợng cao.
các cell với khoảng cách đủ lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau không
đáng kể.
Thông thờng, một cuộc gọi di động không thể kết thúc trong một cell nên hệ
thống thông tin di động cellular phải có khả năng điều khiển và chuyển giao
(handover) cuộc gọi từ cell này sang cell lân cận mà cuộc gọi đợc chuyển giao
không bị gián đoạn.
2 Các chức năng của hệ thống GSM
Các đặc tính chủ yếu của hệ thống GSM nh sau:
- 5 -
Đồ án tốt nghiệp
Có thể phục vụ đợc một số lớn các dịch vụ và tiện ích cho thuê bao cả trong
thông tin thoại và truyền số liệu.
* Đối với thoại có thể có các dịch vụ:
- Chuyển hớng cuộc gọi vô điều kiện
- Chuyển hớng cuộc gọi khi thuê bao di động bận
- Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế
- Giữ cuộc gọi
- Thông báo cớc phí
- Nhận dạng số chủ gọi...
* Đối với dịch vụ số liệu:
- Truyền số liệu
- Dịch vụ nhắn tin: các gói thông tin có kích cỡ 160 ký tự có thể lu giữ .
Sự tơng thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng sẵn có:
* PSTN Publich Switched Telephone Network (Mạng điện thoại chuyển
mạch công cộng).
* ISDN Integrated Service Digital Network (mạng số tổ hợp dịch vụ) bởi
các giao diện theo tiêu chuẩn chung.
Cho phép các thuê bao lu động (roaming) ở các nớc với nhau cùng sử dụng hệ
thống GSM một cách hoàn toàn tự động. Nghĩa là thuê bao có thể mang máy di
động đi mọi nơi và mạng sẽ tự động cập nhật thông tin về vị trí của thuê bao đồng
( T ừ M S - B T S )
B ă n g t ầ n x u ố n g
( T ừ B T S - M S )
8 8 2 M h z
9 1 5 M h z
9 2 7 M h z
9 6 0 M h z
1 7 1 0 M h z
1 7 8 5 M h z
1 8 0 5 M h z
1 8 8 0 M h z
G S M
m ở
r ộ n g
D S C
Hình 1.1- Băng tần cơ bản và mở rộng của GSM
- 7 -
Đồ án tốt nghiệp
Hệ thống GSM làm việc trong băng tần 890 960MHz. Băng tần này đợc
chia làm 2 phần:
- Băng tần lên (Uplink band): 890 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ
trạm di động đến hệ thống trạm thu phát gốc.
- Băng tần xuống (Downlink band): 935 960 MHz cho các kênh vô
tuyến từ trạm thu phát gốc đến trạm di động.
Mỗi băng rộng 25MHz, đợc chia thành 124 sóng mang. Các sóng mang cạnh
nhau cách nhau 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt, một cho đờng lên,
một cho đờng xuống. Các kênh này đợc gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa
hai tần số là không đổi và bằng 45 MHz, đợc gọi là khoảng cách song công. Kênh
vô tuyến này mang 8 khe thời gian mà mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để
trao đổi thông tin giữa trạm thu phát và trạm di động. Ngoài băng tần cơ sở nh
Hệ thống thông tin di động gồm nhiều phần tử chức năng. Mạng GSM đợc
phân chia thành các phân hệ:
Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem)
Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)
Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS (Operation and Support System)
Máy di động MS (Mobile Station)
- 9 -
Đồ án tốt nghiệp
H L R
V L R
M S C
E IR
A u C
G M S C
T r a u
B s cB t s
N m c
O m C
P L M N
P S T N
I S D N
M e
S i m
M S
N S S
Hình 2.1- Mô hình hệ thống thông tin di động
PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
ISDN : Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ
PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng
Phân hệ chuyển mạch NSS bao gồm các khối chức năng:
phải thực hiện thêm ít nhất hai thủ tục:
- Thủ tục đăng ký
- Thủ tục chuyển giao
- 11 -
Đồ án tốt nghiệp
MSC một mặt giao tiếp với BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài. MSC làm
nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài đợc gọi là MSC cổng (GMSC), có chức năng t-
ơng tác IWF (InterWorking Function) để thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của
GMS và các mạng ngoài. Phân hệ chuyển mạch giao tiếp với mạng ngoài để sử
dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của ngời sử
dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM.
MSC thờng là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số bộ điều khiển
trạm gốc BSC.
Bộ ghi định vị thờng trú HLR
HLR là một cơ sở dữ liệu quan trọng trong mạng có chức năng quản lý thuê
bao. Một PLMN có thể có một hoặc nhiều HLR phụ thuộc vào lợng thuê bao.
HLR lu hai loại số gán cho mỗi thuê bao di động, đó là:
+ MSISDN: số danh bạ (số thuê bao)
Cấu trúc:
MSISDN = CC + NDC + SN
CC: Mã quốc gia (Việt nam: 84)
NDC: Mã mạng (Vinaphone: 91, Mobiphone: 90)
SN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số)
VD: 84.91.2037878
+ IMSI: Số nhận dạng thuê bao dùng để báo hiệu trong mạng
Cấu trúc:
IMSI = MCC + MNC + MSIN
MCC: Mã quốc gia (Việt nam: 452)
- 12 -
Đồ án tốt nghiệp
nơi đăng ký MS. VLR cũng chứa các thông số gán cho mỗi MS và đợc nhận từ
VLR.
Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR
Thực thể chức năng này chứa một hoặc nhiều cơ sở dữ liệu lu trữ các IMEI (số
nhận dạng thiết bị) sử dụng trong hệ thống GSM. EIR đợc nối với MSC qua một
đờng báo hiệu, nhờ vậy MSC có thể kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị.
Trung tâm chuyển mạch dịch vụ cổng GMSC
Để thiết lập một cuộc gọi phải định tuyến đến tổng đài mà không cần biết vị
trí hiện thời của thuê bao. GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao
và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời.
GMSC có giao diện báo hiệu số 7 để có thể tơng tác với các phần tử khác của hệ
thống chuyển mạch.
2.2 - Phân hệ trạm gốc BSS
BSS thực hiện kết nối các MS với các tổng đài, do đó liên kết ngời sử dụng
máy di động với những ngời sử dụng dịch vụ viễn thông khác. BSS cũng phải đợc
điều khiển nên đợc kết nối với OSS.
Trạm thu phát gốc BTS
BTS giao diện với MS xử lý các tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Một
bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ).
- 14 -
Đồ án tốt nghiệp
Bộ điều khiển trạm gốc BSC
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều
khiển từ BTS và MS nh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao.
Một BSC có thể quản lý nhiều BTS. Số lợng BTS mà BSC có thể quản lý phụ
thuộc vào lu lợng của BTS.
2.3 - Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS
OSS thực hiện chức năng khai thác, bảo dỡng và quản lý toàn hệ thống.
Trung tâm quản lý mạng NMC
NMC đợc đặt tại trung tâm của hệ thống, chịu trách nhiệm cung cấp chức
+ Thông tin thay đổi:
* Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI
* Số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI
Một số TMSI sẽ tơng ứng với một IMSI đợc cấp phát tạm thời để tăng tính bảo
mật cho quá trình báo hiệu giữa MS và hệ thống. TMSI sẽ thay đổi khi MS cập
nhật lại vị trí.
III. Mạng báo hiệu và các khía cạnh mạng
1 - Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM
- 16 -
Đồ án tốt nghiệp
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 gói đợc thiết kế để trao đổi báo hiệu.
P L M N
P S T N
I S D N
G M S C
A u C E I R
H L R
V L R
M A P
M A P
I S U P
D T A P
( p a r t o f B S S A P )
B S S M A P
( p a r t o f B S S A P )
A b i s
U m
đang hoạt động và ở chế độ idle (rỗi). Kiểm tra đợc thực hiện ở BTS và đợc
thông báo tới BSC.
i. Giao diện vô tuyến cũng bao gồm các chức năng đợc tự động xử lý bởi
BTS.
j. Thông tin đồng bộ và số nhận dạng MS đợc gửi liên tục tới BTS.
k. Chức năng điều khiển tần số đợc xử lý bởi BTS, các tín hiệu điều khiển này
đợc gửi liên tục từ BTS.
Giao diện vô tuyến cũng có các chức năng: mã hoá kênh, ghép kênh, quản lý
burst, TDMA và điều chế.
- 18 -
Đồ án tốt nghiệp
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 ký và nhận thực khi MS
tắt. Các bản tin TDAP đợc chuyển qua BSC và BTS.
Các bản tin khởi tạo MS (IMSI) đợc truyền giữa MSC và MS để cập nhật vị trí
và nhắn tin.
BSSMAP là giao thức đợc sử dụng giữa MSC và BSC để nhắn tin, thực hiện
cuộc gọi, chuyển giao, cung cấp, duy trì các kênh lu lợng và để mã hoá trong
BTS, MS. Giao thức này cũng đợc 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 đợc sử dụng báo hiệu chuyển
giao trong khi ISUP đợc sử dụng để thiết lập và xoá các kết nối.
Các giao thức giữa GMSC và MSC
ISUP đợc sử dụng giống nh trong PSTN/ISDN.
Các giao thức giữa MSC và HLR, VLR, AuC và EIR
MAP đợc sử dụng cho tất cả các báo hiệu. Nó hỗ trợ đăng ký, báo hiệu các số
roaming, nhận thực và nhận dạng thiết bị.
Các cell dới sự điều khiển của nhiều BSC khác nhau nhng thuộc cùng một
MSC
Các cell của các MSC khác nhau
Hai loại chuyển giao đầu tiên gọi là chuyển giao cục bộ. Để tiết kiệm băng
thông báo hiệu, việc chuyển giao chỉ do BSC mà không cần MSC quản lý và chỉ
thông báo cho MSC khi hoàn thành chuyển giao. Hai loại chuyển giao còn lại là
chuyển giao ngoài do các MSC quản lý.
Chuyển giao có thể đợc khởi tạo từ MS hoặc từ MSC. Trong khi các khe thời
gian ở trạng thái chờ, MS quét kênh điều khiển quảng bá (BCCH) trong 16 cell
lân cận, chọn ra 6 cell tốt nhất để phục vụ chuyển giao dựa trên độ dài tín hiệu
nhận đợc. Thông tin này đợc truyền tới BSC và MSC ít nhất 1 giây một lần.
Chuyển giao trong cùng một BSC:
ở trờng hợp này BSC phải thiết lập một đờng nối đến BTS mới, dành riêng
một TCH của mình và ra lệnh cho MS phải chuyển đến 1 tần số mới đồng thời
cũng chỉ ra một TCH mới. Tình huống này không đòi hỏi thông tin gì đến phần
còn lại của mạng. Sau khi chuyển giao MS phải nhận đợc các thông tin mới và
các ô lân cận. Nếu nh việc thay đổi đến BTS mới cũng là thay đổi vùng định vị thì
MS sẽ thông báo cho mạng về LAI của mình và yêu cầu cập nhật vị trí.
Chuyển giao giữa hai BSC khác nhau nhng cùng một MSC/VLR:
Trờng hợp này cho thấy sự chuyển giao trong cùng một vùng phục vụ nhng
giữa hai BSC khác nhau. Mạng can thiệp nhiều hơn khi quyết định chuyển giao.
BSC phải yêu cầu chuyển giao từ MSC/VLR. Sau đó có một đờng nối thông mới
(MSC/VLR BSC mới BSC mới) phải đợc thiết lập nếu có TCH rỗi. TCH
này phải đợc dành cho chuyển giao. Sau đó khi MS nhận đợc lệnh chuyển đến tần
số mới và TCH mới. Ngoài ra, sau khi chuyển giao MS đợc thông báo về các ô lân
- 21 -
Đồ án tốt nghiệp
cận mới. Nếu việc thay đổi BTS cùng với việc thay đổi vùng định vị MS sẽ gửi đi
yêu cầu cập nhật vị trí trong quá trình cuộc gọi hay sau cuộc gọi.
Chuyển giao giữa hai vùng phục vụ MSC/VLR:
mới và gửi một bản tin tới MSC/VLR cũ để xoá đăng ký 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 tơng tự nh 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 đợc truy nhập bởi bất kỳ ngời nào, nên việc
nhận thực ngời sử dụng là thành phần rất quan trọng trong mạng di động. Nhận
thực đợc thực hiện giữa SIM card trong MS và trung tâm nhận thực AuC. Mỗi
thuê bao có một khoá bảo mật, đợc lu đồng thời trong SIM và AuC. Trong khi
nhận thực AuC sẽ phát số ngẫu nhiên tới MS. Cả MS và AuC sau đó sử dụng số
ngẫu nhiên này cùng với mã bảo mật của thuê bao và thuật toán mã hoá để phát
một đáp ứng đợc ký hiệu (SRES) lại AuC. Nếu số đợc gửi từ MS giống với số đợc
tính toán trong AuC, thuê bao sẽ đợc nhận thực.
Một cấp bảo mật khác đợc thực hiện trong MS, mỗi thiết bị GSM đợc nhận
dạng bởi số IMEI và đợc nhận thực bởi số này.
3.3 Quản lý truyền thông
- 23 -
Đồ án tốt nghiệp
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 đợc 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.
* Định tuyến cuộc gọi
Không giống nh định tuyến một cuộc gọi trong mạng cố định mà thiết bị đợc
kết nối với bộ phận trung tâm, ngời sử dụng GSM có thể chuyển vùng quốc gia và
quốc tế. Số quay trực tiếp để đạt tới thuê bao di động đợc gọi là MSISDN, đợc
định nghĩa bởi kế hoạch đánh số E.164.
Một cuộc gọi kết cuối di động đợc gửi tới chức năng GMSC. GMSC là một bộ
hay hớng xuống để truyền bán song công.
Về mặt thời gian, các kênh vật lý ở một kênh tần số đợc tổ chức theo cấu trúc
khung, đa khung, siêu đa khung, siêu siêu khung nh hình vẽ:
- 25 -
Copyright: Tài liệu đại học ©