MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

NguyÔn Hμ D−¬ng - Líp §TVT4 - Kho¸ 41 §å ¸n tèt nghiÖp
PhÇn I :Tæng quan m¹ng th«ng tin
di ®éng GSM

Ch−¬ng 1
CÊu tróc m¹ng GSM

1.1 Tæng quan m¹ng GSM

CÊu h×nh m¹ng GSM :

4
MS
SS
OSS
VLR HLR
AUC
MSC
EIR
BSS
BSC
BTS
ISDN
PSPDN
CSPD
PSTN
PLMN
TruyÒn b¸o
TruyÒn l−u l−îng
H×nh 1.1 CÊu tróc m¹ng GS
M

Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp
Trong đó:

SS : Switching System - Hệ thống chuyển mạch
AUC : Trung tâm nhận thực
VLR : Bộ ghi định vị tạm trú
HLR : Bộ ghi định vị thờng trú
EIR : Equipment Identified Reader - Bộ ghi nhận dạng thiết bị
MSC : Mobile Switching Central - Trung tâm chuyển mạch các nghiệp
vụ di động
BSS : Base Station System - Hệ thống trạm gốc
BTS : Base Television Station - Đi vô tuyến gốc
BSC : Base Station Control - Đi điều khiển trạm gốc
MS : Máy di động
OSS :Operating and Surveilance System - Hệ thống khai thác v giám
sát.
OMC : Operating and Maintaining Central - Trung tâm khai thác v
bảo dỡng
ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ
PSTN : Mạng điện thoại mặt đất công cộng
CSPDN : Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch
PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng
MS : Máy di động

Hệ thống GSM đợc chia thnh hệ thống chuyển mạch (SS hay NSS) v
hệ thống trạm gốc (BSS). Hệ thống đợc thực hiện nh một mạng gồm
nhiều ô vô tuyến cạnh nhau để cùng đảm bảo ton bộ vùng phủ sóng của
vùng phục vụ. Mỗi ô có một trạm vô tuyến gốc (BTS) lm việc ở một tập
hợp các kênh vô tuyến. Các kênh ny khác với các kênh đợc sử dụng ở các
ô lân cận để tránh nhiễu giao thoa. Một bộ điều khiển trạm gốc (BSC) điều

khiển một nhóm BTS. BSC điều khiển các chức năng nh chuyển giao v
điều khiển công suất. Một trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động
(MSC) điều khiển một số BSC. MSC điều khiển các cuộc gọi đến v từ
mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), mạng số liên kết đa dịch
vụ (ISDN), mạng di động mặt đất công cộng (PDN) v có thể l các mạng
riêng. ở mạng cũng có một số các cơ sở dữ liệu để theo dõi nh :

Bộ đăng ký định vị thờng trú (HLR) chứa các thông tin về thuê bao
nh các dịch vụ bổ sung, các thông số nhận thực v thông tin về vị trí
của MS.

5


Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp
Trung tâm nhận thực (AUC ) đợc nối đến HLR. Chức năng của
AUC l cung cấp cho HLR các thông số nhận thực v các khoá mật
mã để sử dụng cho bảo mật.

Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) : l một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về
tất cả các MS hiện đang phục vụ của vùng MSC. Mỗi MSC có một
VLR.

Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR) đợc nối với MSC qua một
đờng báo hiệu. Nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị.
Hệ thống khai thác v hỗ trợ (OSS) đợc nối đến tất cả các thiết bị ở hệ
thống chuyển mạch v nối đến BSC.
1.2 Cấu trúc địa lý của mạng
Mọi mạng điện thoại đều cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các
cuộc gọi vo đến tổng đi cần thiết v cuối cùng đến thuê bao bị gọi. Trong

mạng di động cấu trúc ny rất quan trọng do tính lu thông của các thuê
bao trong mạng.
Về mặt địa lý một mạng di động gồm :
Vùng mạng.
Vùng phục vụ.
Vùng định vị.
Ô (Cell).
1. Vùng mạng
Các đờng truyền giữa mạng GSM/PLMN v mạng PSTN/ISDN khác
hay các mạng PLMN khác sẽ ở mức tổng đi trung kế quốc gia hay quốc tế.
Trong một mạng GSM/PLMN tất cả các cuộc gọi kết cuối di động đều đợc
định tuyến đến một tổng đi vô tuyến cổng (GMSC). GMSC lm việc nh
một tổng đi trung kế vo cho GSM/PLMN. Đây l nơi thực hiện chức năng
hỏi định tuyến cuộc gọi cho các kết cuối di động.









6
GMSC
GMSC_PLMN
X X
ISDN
PLMN

Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp







2. Vùng phục vụ : MSC / VLR
Vùng phục vụ l bộ phận của mạng đợc một MSC quản lý. Để định
tuyến một cuộc gọi đến thuê bao di động, đờng truyền qua mạng sẽ nối
đến MSC ở vùng phục vụ MSC nơi thuê bao đang ở.
Vùng phục vụ l bộ phận của mạng đợc định nghĩa nh một vùng m ở
đó có thể đạt đến một trạm di động nhờ việc trạm MS ny đợc ghi lại ở
một bộ ghi tạm trú,
Một vùng mạng GSM/PLMN đợc chia thnh một hay nhiều vùng phục
vụ MSC/VLR.
3. Vùng định vị (LA: Location Area)
Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR đợc chia thnh một số vùng định vị. Vùng
định vị l một phần của vùng phục vụ MSC/VLR m ở đó một MS có thể
chuyển động tự do m không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đi
MSC/VLR điều khiển vùng định vị ny. Vùng định vị ny l vùng m ở đó
một thông báo tìm gọi sẽ đợc phát quảng bá để tìm MS bị gọi. Vùng định
vị có thể có một số ô v phụ thuộc vo một hay vi BSC nhng nó chỉ
thuộc một MSC/VLR. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách
sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity). Vùng định
vị đợc hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động.
4. Ô (Cell)
Vùng định vị đợc chia thnh một số ô. Ô l một vùng bao phủ vô tuyến
đợc mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô ton cầu (CGI - Cell Global

Identity).
Trạm di động tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm
gốc (BSIC - Base Station Identity Code).
Các vùng ở GSM có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Mối quan hệ giữa các
vùng của GSM đợc thể hiện ở hình 1.3.

7
Hình 1.2 Vùng mạng GSM/PLMN : Các đờng
truyền giữa các mạng khác nhau v mạng
GSM/PLMN
X
PSTN

Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp
Vùng phục vụ GSM (tất cả các nớc thnh viên)
Vùng phục vụ PLMN (một hay nhiều vùng ở một nớc)
Vùng phục vụ MSC (vùng đợc điều khiển bởi một MSC)
Vùng định vị (Vùng định vị v tìm gọi)

Cell (ô)

(vùng có một trạm gốc riêng)

1.3 Hệ thống chuyển mạch (SS - Switching Subsystem)
Hệ thống chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của
GSM cũng nh các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao v quản lý di
động của thuê bao. Chức năng chính của SS l l quản lý thông tin giữa
những ngời sử dụng mạng GSM với nhau v với mạng khác.

1.3.1 Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC - Mobile Service
Switching Centre)
ở SS chức năng chính chuyển mạch chính đợc MSC thực hiện, nhiệm vụ
chính của MSC l điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những ngời sử
dụng mạng GSM. Một mặt BSC giao tiếp với hệ thống con BSS, mặt khác
giao tiếp với mạng ngoi đợc gọi l MSC cổng. Việc giao tiếp với mạng
ngoi để đảm bảo thông tin cho những ngời sử dụng mạng GSM đòi hỏi
cổng thích ứng ( các chức năng tơng tác IWF :Interworking Function ). SS
cũng cần giao tiếp với mạng ngoi để sử dụng các khả năng truyền tải của
các mạng ny cho việc truyền tải số liệu của ngời sử dụng hoặc báo hiệu
giữa các phần tử của mạng GSM. Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo
hiệu kênh chung số 7 (CCS 7), mạng ny đảm bảo hoạt động tơng tác giữa
các phần tử của SS trong nhiều hay một mạng GSM. MSC thờng l một
tổng đi lớn điều khiển v quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc

8
Hình 1.3 Ví dụ về phân cấp cấu trúc địa lý của mạng
di động cellular (GSM)

Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp
(BSC). Một tổng đi MSC thích hợp cho một vùng đô thị v ngoại ô có dân
c vo khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình ).

Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm
truyền dẫn của GSM với các mạng ny. Các thích ứng ny đợc gọi l các
chức năng tơng tác. IWF ( Interworking Function ) bao gồm một số thiết
bị để thích ứng giao thức truyền dẫn. Nó cho phép kết nối với các mạng :
PSPDN ( Packet Switched Public Data Network : mạng số liệu công cộng
chuyển mạch gói ) hay CSPDN ( Circuit Switched Public Data network :
mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch) , nó cũng tồn tại khi các
mạng khác chỉ đơn thuần l PSTN hay ISDN. IWF có thể đợc thực hiện
trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trờng hợp hai
giao tiếp giữa MSC v IWF đợc để mở.

1.3.2 Bộ ghi định vị thờng trú (HLR - Home Location Register)
Ngoi MSC, SS bao gồm cả các cơ sở dữ liệu. Các thông tin liên quan đến
việc cung cấp các dịch vụ viễn thông đợc lu giữ ở HLR không phụ thuộc
vo vị trí hiện thời của thuê bao. HLR cũng chứa các thông tin liên quan
đến vị trí hiện thời của thuê bao. Thờng HLR l một máy tính đứng riêng
không có khả năng chuyển mạch nhng có khả năng quản lý hng trăm
ngn thuê bao. Một chức năng con của HLR l nhận dạng trung tâm nhận
thực AUC m nhiệm vụ của trung tâm ny l quản lý an ton số liệu của
các thuê bao đợc phép.

1.3.3 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register)
VLR l cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nó đợc nối với một hay
nhiều MSC v có nhiệm vụ lu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê
bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tơng ứng v đồng thời
lu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn
HLR. Mỗi MSC có một VLR. Ngay khi MS lu động vo một vùng MSC
mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS ny từ HLR. Đồng thời
HLR sẽ đợc thông báo l MS đang ở vùng phục vụ no. Nếu sau đó MS
muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết dể

thiết lập cuộc gọi m không cần hỏi HLR. Có thể coi VLR nh một HLR
phân bố.
Dữ liệu bổ sung đợc lu giữ ở HLR gồm :
y Tình trạng của thuê bao (bận, rỗi, không trả lời ).
y Nhận dạng vùng định vị (LAI).
y Nhận dạng của thuê bao di động tạm thời (TMSI).

9
y Số lu động của trạm di động (MSRN).

Nguyễn H Dơng - Lớp ĐTVT4 - Khoá 41 Đồ án tốt nghiệp
Các chức năng VLR thờng đợc liên kết với chức năng MSC.

1.3.4 Tổng đi di động cổng (GMSC - Gate MSC)
SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR. Để thiết lập một cuộc gọi đến
ngời sử dụng GSM, trớc hết cuộc gọi phải đợc định tuyến đến một tổng
đi cổng đợc gọi l GMSC m không cần biết hiện thời thuê bao đang ở
đâu. Các tổng đi cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao v
định tuyến cuộc gọi đến tổng đi đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện
thời ( MSC tạm trú ). Để vậy, trớc hết các tổng đi cổng phải dựa trên số
danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết v hỏi HLR ny. Tổng
đi cổng có một giao diện với các mạng bên ngoi thông qua giao diện ny
nó lm nhiệm vụ cổng để kết nối các mạng bên ngoi với mạng GSM. Ngoi
ra tổng đi ny cũng có giao diện báo hiệu số 7 ( CCS 7 ) để có thể tơng
tác với các phần tử khác của SS. Về phơng diện kinh tế không phải bao
giờ tổng đi cổng cũng đứng riêng m thờng đợc kết hợp với MSC.
1.3.5 Trung tâm nhận thực (AUC - Authentication Center)
Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các thông số
nhận thực v các khoá mật mã.
Trung tâm nhận thực liên tục cung cấp các bộ ba cho từng thuê bao. Các

bộ ba ny đợc coi nh l số liệu liên quan đến thuê bao. Một bộ ba
(RAND, SRES, hoá mật mã (Kc) ) đợc sử dụng để nhận thực một cuộc gọi
để tránh trờng hợp Card thuê bao (Card thông minh) bị mất. ít nhất phải
luôn có một bộ ba mới (cho một thuê bao) ở HLR để luôn có thể cung cấp
bộ ba ny theo yêu cầu của MSC/VLR. AUC chủ yếu chứa một số các máy
tính cá nhân gọi l PC - AUC để tạo ra các bộ ba v cung cấp chúng đến
HLR.
PC - AUC đợc coi nh một thiết bị vo/ra (I/O).
Trong AUC các bớc sau đây đợc thực hiện để tạo ra bộ ba :
y Một số ngẫu nhiên không thể đoán đợc (RAND) đợc tạo ra.
y RAND v Ki đợc sử dụng để tính toán trả lời đợc mật hiệu (SRES)
v khoá mật mã (Kc) bằng hai thuật toán :
o SRES = A3 (RAND , Ki)
o Kc = A8 (RAND , Ki)
y RAND, SRES v Kc cùng đợc đa đến HLR nh một bộ ba.
Quá trình nhận thực sẽ luôn diễn ra mỗi lần thuê bao truy cập vo mạng
của hệ thống.

10
Quá trình nhận thực diễn ra nh sau :