Báo cáo hệ phân tán tìm hiểu về mạng di động gsm

Báo cáo Hệ Phân
Tán
Tìm hiểu về mạng di động GSM

1


I. Tổng quan về mạng di động GSM
• GSM (Global System for Mobile Communication) là hệ thống thông tin di động số
toàn cầu ở dải tần 900MHz, 1800MHz và 1900MHz được tiêu chuẩn viễn thông châu
Âu (ETSI) quy định. GSM là một tổ hợp các giải pháp bao gồm hệ thống chuyển mạch
kênh, chuyển mạch gói, nút điều khiển vơ tuyến và các trạm phát gốc cùng với cơ sở
dữ liệu (CSDL) mạng, các dịch vụ cơ bản và các nút quản lý mạng.
• Hệ thống thơng tin di động GSM sử dụng kết hợp phương pháp đa truy nhập phân chia
theo thời gian TDMA (Time-Division Multiple Access) và phân chia theo tần số FDMA
(Frequency-Division Multiple Access), trong đó mỗi MS được cấp phát một cặp tần số
và một khe thời gian để truy nhập vào mạng.
• Kiến trúc hệ thống GSM
Một hệ thống GSM được chia thành nhiều hệ thống con như sau:
1. Phân hệ chuyển mạch NSS (Networking Switch Subsystem)
2. Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)
3. Trạm di động MS (Mobile Station)
4. Phân hệ bảo dưỡng và khai thác OSS (Operation Subsystem)
2


Cấu trúc mạng GSM
• MS: Mobile Station
• TE: Terminal Equipment
• MT: Mobile Terminal
• BSS: Base Station

Subsystem
• BTS: Base Transceiver
Station
• BSC: Base Station
Controller
• MSC: Mobile Switching
Center
• VLR: Visitor Location
Register
• HLR: Home Location
Register
• AuC: Authentication

3


1. Phân hệ chuyển mạch NSS (Networking Switch
Subsystem)
• NSS bao gồm các chức năng chuyển mạch chính cũng như CSDL cần thiết cho số liệu
thuê bao và sự quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của NSS là quản lý
thông tin giữa những người sử dụng mạng với nhau và với các mạng khác.
• Phân hệ NSS bao gồm: MSC, VLR, HLR, GMSC, AUC và EIR
a) Trung tâm chuyển mạch di động (MSC - Mobile Switching Center)
b) Bộ đăng kí định vị thường trú (HLR - Home Location Register)
c) Bộ đăng kí định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register)
d) Tổng đài GMSC (Gateway-MSC)
e) Trung tâm nhận thực (AuC - Authentication Center)
f)

Thanh ghi nhận thực thiết bị (EIR - Equipment Identity Register)

4


2. Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)
• BSS là một hệ thống đặc thù riêng cho tính chất tổ ong vô tuyến của GSM. BSS giao
tiếp trực tiếp với các trạm di động MS thông qua giao diện vơ tuyến, vì thế nó bao
gồm các thiết bị thu/phát đường vô tuyến và quản lý các chức năng này. Mặt khác BSS
thực hiện giao tiếp với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch NSS. BSS cũng phải được
điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS.
• BSS bao gồm hai loại thiết bị là: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC
a) Trạm thu phát gốc (BTS - Base Transceiver Station)
b) Trung tâm điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller)

5


a) Trạm thu phát gốc (BTS - Base Transceiver Station)
• BTS gồm tất cả các thiết bị giao tiếp truyền dẫn và vô tuyến cần thiết ở trạm vô tuyến
dù trạm phủ một hay nhiều cell
• BTS thực hiện các chức năng sau:
- Thu phát vô tuyến.
- Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý.
- Mã hóa và giải mã hóa.
- Mật mã hóa và giải mật mã.
- Điều chế và giải điều chế.
• Bộ phận quan trọng nhất trong BTS chính là khối chuyển đổi mã và tốc độ TRAU Transcode/Rate Adapter Unit. TRAU thực hiện mã hóa và giải mã thoại rất đặc thù
cho TTDĐ số cellular. TRAU cũng thực hiện thích ứng tốc độ truyền số liệu

6

b) Trung tâm điều khiển trạm gốc BSC (Base Station
Controller)
• BSC là khối chức năng điều khiển, giám sát các BTS và các liên lạc vô tuyến trong hệ
thống. BSC điều khiển công suất, quản lý giao diện vô tuyến thơng qua các lệnh điều
khiển của BTS và MS.
• Vai trò chủ yếu của BSC là quản lý các kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một BSC
quản lý hàng chục BTS tạo thành một trạm gốc. Một tập hợp các trạm gốc gọi là phân
hệ trạm gốc. Giao diện Abis được quy định giữa BSC và MSC. Sau đó, giao diện Abis
cũng được quy định giữa BSC và BTS
• BSC được ấn định các chức năng chính sau:
- Quản lý mạng vô tuyến
- Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS
- Điều khiển nối thông các cuộc gọi
- Quản lý mạng truyền dẫn

7


3. Trạm di động MS (Mobile Station)
• MS là một đầu cuối di động, có thể được đặt trên ơ tô hay xách tay. Sự hợp tác giữa
các mạng thông tin tạo điều kiện để MS được chuyển giao trong phạm vi bất kì. MS có
bộ phận ME đầy đủ phần cứng và phần mềm để phối ghép với giao diện vô tuyến được
quy định sẵn.
a) ME là phần cứng để thuê bao truy nhập mạng. Có 3 loại ME:
- Trên xe (lắp đặt trong xe, anten ngoài xe).
- Xách tay (anten không liền tổ hợp cầm tay).
- Cầm tay (anten liền với tổ hợp cầm tay, máy cầm tay nằm gọn trong lịng bàn tay).
ME có số nhận dạng là IMEI. Nhờ có IMEI mà ME bị mất sẽ không được phục vụ.

b) Module nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Indentity Module)
Là một card điện tử cắm vào ME để nhận dạng thuê bao và các loại dịch vụ mà thuê bao
đăng ký. Nhà cung cấp dịch vụ di động bán SIM cho thuê bao khi đăng ký.

8


4. Phân hệ bảo dưỡng và khai thác OSS (Operation
Subsystem)
• Hệ thống OSS được nối với tất cả các thiết bị ở hệ thống chuyển mạch và nối đến BSC.
• OSS thực hiện 3 chức năng chính:
- Khai thác và bảo dưỡng mạng
- Quản lý thuê bao và tính cước
- Quản lý thiết bị di động

9


II. Báo hiệu và chuyển giao trong hệ thống GSM
1) Báo hiệu trong hệ thống GSM
2) Chuyển giao trong GSM

10


1) Báo hiệu trong hệ thống GSM
a) Các giao diện cơ bản trong mạng di động GSM
Các giao diện cơ bản của mạng GSM được chia thành hai loại : giao diện nội bộ mạng
GSM và các giao diện ngoại vi. Trong đó giao diện nội bộ mạng GSM lấy hệ thống báo
hiệu số 7 (CCS7) làm cơ sở cho các q trình điều khiển việc trao đổi thơng tin giữa các

phần tử của mạng khi cung cấp các dịch vụ cho thuê bao và quản lý mạng. Các giao
diện ngoại vi với các mạng khác như PSTN, ISDN, PSDN hay với các PLMN khác... sử
dụng R2, CCS7 hay X25 tuỳ thuộc vào từng mạng cụ thể.
• Giao diện nội bộ mạng
- Giao diện vô tuyến Um: Là giao diện giữa BTS và MS. Đây là giao diện quantrọng
nhất, quyết định lớn nhất đến chất lượng dịch vụ của mạng GSM. TrongGSM, giao diện
vô tuyến sử dụng tổng hợp cả hai phương thức FDMA và TDMA.
- Giao diện Abis: là giao diện giữa BTS và BSC. Giao diện này được sử dụng để trao đổi
thông tin thuê bao (thoại, số liệu...) và thông tin điều khiển (báo hiệu, đồng bộ...). BSC
kiểm soát các BTS qua giao diện này. Abis sử dụng đường truyền chuẩn PCM 32
(2,4Mb/s) với mã sửa sai CRC4 theo CCITT, G732. Giao thức trong kênh báo hiệu tuân
theo chuẩn CCITT LAPD.
11


1) Báo hiệu trong hệ thống GSM
- Giao diện A là giao diện giữa MSC và BSC, qua bộ chuyển mã TRAU
- Giao diện B là giao diện giữa MSC và VLR (sử dụng CCS7 để trao đổi số liệu giữa MSC
và VLR)
- Giao diện C là giao diện giữa MSC và HLR (MSC sử dụng giao diện này để truy nhập
HLR lấy số liệu)
- Giao diện D là giao diện giữa VLR và HLR (trao đổi số liệu về các thuê bao di động
giữa các cơ sở dữ liệu của HLR và VLR)
- Giao diện E là giao diện giữa các tổng đài trong mạng GSM (thiết lập các cuộc nối
giữa các thuê bao thuộc vùng kiểm soát của các tổngđài khác nhau)
- Giao diện F là giao diện giữa EIR và MSC (trao đổi số liệu về việc nhận dạng thiết bị
thuê bao quốc tế IMEI với cơ sở dữ liệuđã được ghi sẵn trong EIR khi cần kiểm tra các
thuê bao MS)
- Giao diện G là giao diện giữa các VLR (trao đổi số liệu về MS trong quá trìnhtạo lập
và lưu giữ hộ khẩu tạm trú của các MS đó)

- Giao diện Ater: là giao diện giữa BSC và TRAU.
12


1) Báo hiệu trong hệ thống GSM
• Giao diện ngoại vi
- Giao diện với OMC: Là giao diện giữa OMC và MSC, VLR, HLR, EIR, BSC
- Giao diện với PSTN: Giao diện giữa các mạng GSM với mạng thoại PSTN
- Giao diện với ISDN: Giao diện mạng GSM với ISDM
- Giao diện với PSDN: Giao diện với mạng số liệu X25 cũng được tiêu chuẩn hoá ở GSM
- Giao diện với PLMN qua PSTN/ISDN: Giao diện giữa các mạng GSM với nhau thông qua
mạng PSTN hoặc ISDN được tiêu chuẩn hoá cho GSM

13


1) Báo hiệu trong hệ thống GSM
b) Báo hiệu trong GSM
Vấn đề báo hiệu trong mạng di động phức tạp hơn nhiều trong mạng điện thoại thơng
thường vì tính chất di động của các thuê bao trong mạng. Trong mạng di động, các thuê
bao di động (MS) có thể di chuyển quanh mạng nên phải có yêu cầu cập nhật vị trí địa lý
của các MS và xử lý việc thay đổi kênh lưu lượng (chuyển ô) khi MS di chuyển từ ô này
sang ô khác. Điều này yêu cầu phải có một hệ thống báo hiệu nhanh và mạnh. Mạng di
động số GSM sử dụng hệ thống báo hiệu số 7.
Ở CCSN 7 (common channel signalling network), đường báo hiệu tách riêng so với
đường tiếng. Kênh báo hiệu có thể chiếm một khe thời gian bất kỳ trên các đường
truyền dẫn 2Mbps và được sử dụng để truyền tất cả các báo hiệu của các kênh thoại ở
đoạn nối tương ứng. CCSN 7 có rất nhiều ưu điểm:
- Dung lượng truyền báo hiệu cao, một kênh báo hiệu có thể đảm bảo báo hiệu cho
5000 mạch tiếng

- Cho phép sử dụng nhiều dịch vụ mới
- Cho phép giảm kích thước các thiết bị vì khơng cần thiết phải ấn định thiết bị báohiệu
riêng cho từng mạch tiếng
- Độ tin cậy cao nhờ có dự phịng

14


1) Báo hiệu trong hệ thống GSM
Một số trường hợp báo hiệu trong GSM:
• Bật - tắt máy ở MS
Khi MS mới bật nguồn, nó phải thực hiện đăng ký lần đầu để nhập mạng. Quá trình
này thực hiện như sau:
- MS quét để tìm được tần số đúng ở kênh FCCH (Frequency Correction Channel – Kênh
hiệu chỉnh tần số).
- Tìm đến kênh đồng bộ SCH (Synchronization Channel) để nhận được số khung TDMA
cho đồng bộ.
- Cập nhật vị trí để thông báo cho VLR phụ trách và HLR về vị trí của mình. Các CSDL
này sẽ ghi lại LAI (Location Area(2)Identity) hiện thời của MS. Giống như cập nhật vị trí
(4)
bình thường thơng tin về LAI được MS nhận từ BCCH (Broadcast
control channel).
(3)

(1)

15


1) Báo hiệu trong hệ thống GSM

Bắt đầu từ lúc MSC/VLR cơng nhận MS là tích cực và đánh dấu cờ “truy nhập vị trí tích
cực” vào trường dữ liệu của mình. Cờ này gắn với một số nhận dạng thuê bao IMSI.
(1): cập nhật vị trí (LAI mới).
(2): yêu cầu cập nhật vị trí (IMSI ở MSC mới).
(3): chấp nhận cập nhật vị trí.
(4): cơng nhận cập nhật vị trí.

(2)

(4)
(3)

(1)

16


1) Báo hiệu trong hệ thống GSM
Một số trường hợp báo hiệu trong GSM:
• Cập nhật vị trí
Cập nhật vị trí xảy ra khi MS đang ở trạng thái rỗi nhưng nó di chuyển từ vùng định vị
này sang vùng định vị khác. Khi đó, MS phải thơng báo cho mạng vị trí của nó để mạng
ghi lại vị trí mới này vào VLR hay HLR (nếu chuyển vùng định vị xảy ra đồng thời với
chuyển sang MSC mới)
Thông tin để thực hiện cập nhật vị trí dựa trên LAI được thơng báo thường xun từ
BCCH của mỗi ơ. Có hai dạng cập nhật vị trí:
- Nếu MS chuyển từ cell ở LA này sang một cell ở LA khác và các cell thuộc cùng một
MSC/VLR. Quá trình cập nhật vị trí sẽ khơng cần thơng báo đến HLR vì HLR chỉ quản lý
vị trí MS đến MSC đang phục vụ nó
- MS chuyển từ cell này sang cell khác trong cùng một LA và các cell thuộc hai MSC

khác nhau. Q trình cập nhật vị trí phải được thơng báo đến HLR để nó ghi lại vị trí
của MSC/VLR mới. Ngồi ra, thơng tin về th bao cũng được ghi lại ở VLR mới và xoá
đi ở VLR cũ.

17


2) Chuyển giao trong GSM
Khi đang đàm thoại, một kênh được xác lập. Khi một MS chuyển động ra khỏi vùng
phủ sóng của cell cho trước, tín hiệu đầu thu của cell này sẽ giảm. Khi đó, cell đang sử
dụng sẽ yêu cầu một chuyển giao (Handover - HO) đến hệ thống. Đến một mức quy
định, hệ thống sẽ chuyển mạch cuộc gọi đến một cell có tần số với cường độ tín hiệu
thu mạnh hơn mà khơng làm gián đoạn cuộc gọi hay gửi cảnh báo đến người sử dụng.
Cuộc gọi được tiếp tục mà người dùng không nhận thấy quá trình HO diễn ra.
a) Phân loại Handover
Intra-cell Hand Over (Chuyển giao trong nội bộ tế bào): Thủ tục chuyển giao thực
hiện giữa hai kênh vật lý của cell đang phục vụ

18


2) Chuyển giao trong GSM
a) Phân loại Handover
Inter-cell Hand Over (Chuyển giao liên tế bào): MS được chuyển mạch sang một
kênh vô tuyến mới của một cell khác nhưng được điều khiển của cùng một bộ điều
khiển trạm gốc BSC

19

2) Chuyển giao trong GSM
a) Phân loại Handover
Intra-MSC Hand Over: Chuyển giao giữa 2 BSC trong nội bộ tổng đài di động MSC

20