TỔNG QUAN về MẠNG GSM và các THÀNH PHẦN TRONG hệ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

MỤC LỤC
‐ 1 -
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ CÁC THÀNH PHẦN
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM
1.1.1. Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM)
GSM trước đây được biết như Groupe Spécial Mobile (nhóm di động đặc
biệt), là nhóm đã phát triển nó, được thiết kế từ sự bắt đầu như một dịch vụ tế
bào số quốc tế. Giao tiếp vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA. Ý
định ban đầu là các thuê bao GSM có khả năng di chuyển qua các biên giới quốc
gia sẽ nhận được các dịch vụ di động và các tính năng đi theo cùng với họ.
Kiểu GSM của Châu Âu hiện nay hoạt động ở tần số 900 MHz cũng
như tần số 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 được với các máy điện thoại đa băng hoạt động trong nhiều tần số.
Vào đầu năm 1980, thị trường hệ thống điện thoại tế bào tương tự đã phát
triển rất nhanh ở Châu Âu. Mỗi một nước đã phát triển một hệ thống tế bào độc
lập với các hệ thống của các nước khác. Sự phát triển không được 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 giữa các nước thuộc
liên minh châu âu với nhau. Không chỉ các thiết bị di động bị hạn chế khai thác
trong biên giới quốc gia, mà còn có một thị trường rất hạn chế đối với mỗi kiểu
thiết bị, vì thế tiết kiệm chi phí có thể không thực hiện được. Ngoài một thị trường
trong nước đầy đủ với các mẫu chung, có thể không có một nhà chế tạo nào cạnh
tranh được trên thị trường thế giới. Hơn nữa, chính phủ các nước nhận thức rõ là
các hệ thống thông tin không tương thích có thể cản trở tiến trình để đạt được một
tầm nhìn chiến lược 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 Speciale

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 khả quan hơn vì một số mạng tế bào
‐ 2 -
tương tự hiện tại có thể sử dụng hết dung lượng vào năm 1990. CEPT khuyến
nghị rằng hai khối tần số trong băng tần 900 MHz được 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 được chia thành các kênh 200
KHz.
Hệ thống thông tin di động được CEPT đưa ra đã đáp ứng được các tiêu
chuẩn như sau:
- Cung cấp âm thoại chất lượng cao.
- Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế.
- Hỗ trợ các thiết bị đầu cuối cầm tay.
- Hỗ trợ một loạt các dịch vụ và các thiết bị mới.
- Cung cấp hiệu quả phổ tần số.
- Cung cấp khả năng tương thích với ISDN.
- Cung cấp với chi phí dịch vụ và đầu cuối thấp.
Vào năm 1989, việc phát triển các đặc tính kỹ thuật của GSM đã
được
chuyển từ CEPT đến Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI).
ETSI được
thành lập vào năm 1988 để thiết lập các tiêu chuẩn viễn thông cho Châu Âu
và hợp tác với các tổ chức tiêu chuẩn khác, các lĩnh vực liên quan đến truyền hình
và công nghệ thông tin văn phòng. ESTI đã ấn bản các đặc tính kỹ thuật giai đoạn
1 của GSM vào năm 1990. Dịch vụ thương mại đã bắt đầu vào giữa năm 1991.
Đến năm 1993 đã có 36 mạng GSM tại 22 nước, và thêm 25 nước đã lựa chọn
hoặc bắt đầu GSM. Từ đó, GSM đã được chấp nhận ở Nam Phi, Úc, và rất nhiều
nước vùng Trung Đông và Viễn Đông. Tại Bắc Mỹ, GSM được dùng để thực hiện
PCS. Đến cuối năm 1998 đã có 323 mạng GSM ở 118 nước phục vụ cho 138 triệu
thuê bao, đến nay đã có hơn 2 tỉ người dùng trên 212 quốc gia và vùng lãnh

thổ. Hệ thống GSM được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global
System for Mobilephone communications).
Năm 1993 GSM đã có mặt tại Việt Nam, đánh dấu một sự kiện quan
trọng trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá nước nhà. Ban đầu là VNPT sau
đó là nó phát triển thêm một vài mạng khác. Đến hiện nay thì ở Việt Nam đã có
‐ 3 -
các nhà mạng như Viettel, Vinaphone, Mobile, Gmobile
Mạng thông tin di động GSM là mạng thông tin di động số Cellular gồm nhiều
ô (cell). Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng, có hình dạng (trên lý thuyết) là một tổ
ong hình lục giác. Trong mỗi cell có một đài vô tuyến gốc BTS (Base
Transceiver Station) liên lạc với tất cả các trạm di động MS (Mobile Station) có
mặt trong cell. Khi MS di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của cell, nó phải được
chuyển giao sang làm việc với BTS của cell khác.
Đặc điểm của hệ thống thông tin di động Cellular là việc sử dụng lại tần
số và diện tích của mỗi cell khá nhỏ. Mỗi cell sử dụng một nhóm tần số kênh vô
tuyến. Các chữ cái A, B, C, vừa là tên của cell, vừa biểu thị một nhóm xác định
các tần số vô tuyến được sử dụng trong cell đó. Nhóm tần số được sử dụng nhiều
lần cho các cell với khoảng cách đủ
lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau
không đáng kể.
Thông thường, 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 được chuyển giao
không bị gián đoạn.
1.1.2. Các chức năng của hệ thống GSM
Các đặc tính chủ yếu của hệ thống GSM như sau:
• Có thể phục vụ được 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 hướng cuộc gọi vô điều kiện

- Chuyển hướng cuộc gọi khi thuê bao di động bận
- Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế
- Giữ cuộc gọi.
- Thông báo cước phí.
- Nhận dạng số chủ gọi
* Đối với dịch vụ số liệu:
‐ 4 -
- Truyền số liệu
- Dịch vụ nhắn tin: các gói thông tin có kích cỡ 160 ký tự có thể lưu giữ.
• Sự tương 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 lưu động (roaming) ở các nước 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 thời thuê bao có thể gọi đi bất cứ nơi nào mà không cần biết thuê
bao khác đang ở đâu.
• Sử dụng băng tần 900 MHz với hiệu quả cao bởi sự kết hợp giữa hai
phương pháp TDMA, FDMA.
• Giải quyết sự hạn chế dung lượng: Thực chất dung lượng sẽ tăng lên
nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật chia ô nhỏ, do vậy số thuê bao được
phục vụ sẽ tăng lên.
• Tính linh hoạt cao nhờ sử dụng các loại máy thông tin di động khác nhau:
máy cầm tay, máy xách tay, máy đặt trên ô tô
• Tính bảo mật: Mạng kiểm tra sự hợp lệ của mỗi thuê bao GSM bởi thẻ
đăng ký SIM (Subcriber Identity Module). Thẻ SIM sử dụng mật khẩu PIN
(Personal Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng của người sử dụng hợp pháp.

SIM cho phép người sử dụng sử dụng nhiều dịch vụ và cho phép người dùng truy
nhập vào các PLMN (Public Land Mobile Network) khác nhau. Đồng thời trong hệ
thống GSM còn có trung tâm nhận thực AuC, trung tâm này cung cấp mã bảo mật
chống nghe trộm cho từng đường vô tuyến và thay đổi cho từng thuê bao.
‐ 5 -
1.1.3. Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động GSM:
Hình 1.1- Băng tần cơ bản và mở rộng của GSM
Hệ thống GSM làm việc trong băng tần 890 – 960MHz. Băng tần này được 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, được chia thành 124 sóng mang. Các sóng mang
cạnh nhau cách nhau 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt, một cho
đường lên, một cho đường xuống. Các kênh này được gọi là kênh song công.
Khoảng cách giữa hai tần số là không đổi và bằng 45MHz, được 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 như trên còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần
DCS (Digital Cellular System).
‐ 6 -
Hình 1.2 – Băng tần lên và băng tần xuống.
1.1.4. Phương pháp truy nhập trong thông tin
Ở giao diện vô tuyến, MS và BTS liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến.
Để tài nguyên tần số có hạn có thể phục vụ càng nhiều thuê bao di động, ngoài
việc sử dụng lại tần số, số kênh vô tuyến được dùng theo kiểu trung kế. Hệ thống
trung kế vô tuyến là hệ thống vô tuyến có số kênh sẵn sàng phục vụ ít hơn số
người dùng khả dĩ. Phương thức để sử dụng chung các kênh gọi là phương pháp
đa truy nhập: người dùng khi có nhu cầu thì được đảm bảo về sự truy nhập vào

trung kế.
• Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple
Access): Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau. Phổ tần số được
chia thành 2N dải tần số con kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ. Mỗi dải tần
được gán cho một kênh liên lạc, trong đó kênh tần số N dành cho liên lạc hướng
lên, N kênh tần số còn lại cho liên lạc hướng xuống. Mỗi người dùng được cấp
phát một kênh tần số riêng biệt trong tập hợp các kênh tần số.
‐ 7 -
Hình 1.3 - Tổ chức một khung TDMA
• Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple
Access): Khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến được ấn định. Các
thuê bao khác nhau dùng chung 1 kênh tần số nhờ cài xen thời gian. Mỗi thuê bao
được cấp một khe thời gian (time slot) trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe.
Hình 1.4 - Phân khung TDMA
• Đa truy nhập theo mã CDMA (Code Division Multiple Access): Là phương
‐ 8 -
pháp trải phổ tín hiệu, thực hiện là gán cho mỗi MS một mã riêng biệt cho
phép nhiều MS cùng thu, phát độc lập trên một băng tần nên tăng dung lượng
cho hệ thống. Hiện tại công nghệ CDMA đang được triển khai tại một số quốc
gia. Tại Việt Nam hiện có mạng thông tin di động S-Fone của công ty Cổ phần
Viễn thông Sài Gòn (SPT) và
mạng EVN – Telecom của Công ty Thông tin Viễn
thông Điện Lực đã
sử dụng công nghệ này.(Hiện nay công nghệ CDMA không còn
được sử dụng cho các mạng viễn thông ở Việt Nam).
Ngoài ra còn có phương pháp truy nhập theo không gian SDMA.
Mạng GSM sử dụng phương pháp TDMA kết hợp FDMA.
1.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM.
1.2.1. Cấu trúc hệ thống
Hệ thống thông tin di động gồm nhiều phần tử chức năng. Mạng

GSM được phân chia thành các phân hệ:
PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
ISDN : Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ
‐ 9 -
PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng
• Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem) bao gồm các
khối chức năng:
- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile
- Switching Center)
- Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register)
- Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register)
- Trung tâm nhận thực AuC (Authentication Center)
- Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identification
- Register)
- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng GMSC (Gateway
Mobile Switching Center).
• Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) bao gồm các khối:
- Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Center)
- Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station)
• Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS (Operation and Support
- System) bao gồm các khối chức năng:
- Trung tâm quản lý mạng NMC (Network Management Center)
- Trung tâm quản lý và bảo dưỡng OMC (Operation & Maintenance Center).
• Trạm di động MS (Mobile Station):
- Thiết bị di động ME (Mobile Equipment)
- Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module)
1.2.2. Chức năng các phần tử trong mạng
GSM
1.2.2.1. Phân hệ chuyển mạch NSS
Phân hệ chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của

GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động
của thuê bao. Chức năng chính của hệ thống chuyển mạch là quản lý thông tin
giữa những người sử dụng mạng GSM và các mạng khác.
• Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC
MSC là một tổng đài thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch và báo
hiệu của MS nằm trong vùng địa lý do MSC quản lý. MSC khác với một tổng đài
cố định là nó phải điều phối cung cấp các tài nguyên vô tuyến cho thuê bao và
‐ 10
-
MSC phải thực hiện thêm ít nhất hai thủ tục:
- Thủ tục đăng ký.
- Thủ tục chuyển giao.
MSC một mặt giao tiếp với BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài.
MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng (GMSC), có
chức năng tương 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 người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM.
MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số bộ điều
khiển trạm gốc BSC.
• Bộ ghi định vị thường 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 lượng thuê
bao. HLR lưu hai loại số gán cho mỗi thuê bao di động,
đó là:
+ MSISD N

: số danh bạ (số thuê bao).
Cấu trúc:

MSISDN = CC + NDC + SN
CC: Mã quốc gia (Việt nam: 84)
NDC: Mã mạng (Viettel: 98,97 ;Vinaphone: 91,94…; Mobiphone: 90,93…)
SN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số)
Ví dụ: 84.98.8888888
+ IMS I

: Số nhận dạng thuê bao dùng để báo hiệu trong mạng
Cấu trúc:
IMSI = MCC + MNC +
MSIN
MCC:
Mã quốc gia (Việt Nam: 452)
MNC: Mã mạng ( Viettel: 04, Vinaphone: 02, Mobiphone: 01)
‐ 11
-
MSIN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số)
Ví dụ: 84.98.5101300 - 452.04.5101300
Như vậy, với một số MSISDN sẽ tương ứng với một số IMSI và chỉ tồn tại
một số IMSI duy nhất trong toàn hệ thống GSM. IMSI được sử dụng để MS truy
nhập vào cơ sở dữ liệu. Cơ sở dữ liệu chứa các thông tin sau:
- Thông tin thuê bao dịch vụ thoại và phi thoại mang (bearer service).
- Giới hạn dịch vụ (giới hạn
roaming)
- Các dịch vụ hỗ trợ. HLR chứa các thông số của dịch vụ này; tuy nhiên nó còn
có thể được lưu trong card thuê bao.
Như vậy, HLR không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản
lý hàng ngàn thuê bao. Khi mạng có thêm một thuê bao mới, thì các thông tin
về thuê bao sẽ được đăng ký trong HLR.
• Trung tâm nhận thực AuC

AuC kết nối với HLR, cung cấp các thông số hợp thức hoá và các khoá mã để
đảm bảo chức năng bảo mật.
• Bộ ghi định vị tạm trú VLR
VLR là cơ sở dữ liệu lớn thứ hai trong mạng, lưu trữ tạm thời số liệu
thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và lưu trữ số liệu
về vị trí của thuê bao. Khi MS vào một vùng định vị mới, nó phải thực hiện thủ tục
đăng ký. MSC quản lý vùng này sẽ tiếp nhận đăng ký của MS và truyền số nhận
dạng vùng định vị (LAI) nơi có mặt thuê bao tới VLR. Một VLR có thể phụ trách
một hoặc nhiều vùng MSC.
Các thông tin cần để thiết lập và nhận một cuộc gọi của MS được lưu
trong cơ sở dữ liệu của VLR. Đối với một số dịch vụ hỗ trợ, VLR có thể truy vấn
các thông tin từ HLR: IMSI (nhận dạng máy di động quốc tế), MSISDN (ISDN
của máy di động), số chuyển vùng của thuê bao MS (MSRN), số nhận dạng thuê
bao di động tạm thời (TMSI), số nhận dạng thuê bao di động nội bộ (LMSI) và
vùng định vị nơi đăng ký MS. VLR cũng chứa các thông số gán cho mỗi MS và
được nhận từ VLR.
• Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR
‐ 12
-
Thực thể chức năng này chứa một hoặc nhiều cơ sở dữ liệu lưu trữ các IMEI (số
nhận dạng thiết bị) sử dụng trong hệ thống GSM. EIR được nối với MSC qua một
đường 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 tương tác với các phần tử
khác của hệ thống chuyển mạch.
1.2.2.2. Phân hệ trạm gốc BSS

BSS thực hiện kết nối các MS với các tổng đài, do đó liên kết người sử
dụng máy di động với những người sử dụng dịch vụ viễn thông khác. BSS cũng
phải được điều khiển nên được 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).
•
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 như ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển
giao. Một BSC có thể quản lý nhiều BTS. Số lượng BTS mà BSC có thể quản lý
phụ thuộc vào lưu lượng của BTS.
1.2.2.3. Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS
OSS thực hiện chức năng khai thác, bảo dưỡng và quản lý toàn hệ
thống.
• Trung tâm quản lý mạng NMC
NMC được đặt tại trung tâm của hệ thống, chịu trách nhiệm cung cấp
chức năng quản lý cho toàn bộ mạng.
- Giám sát các nút trong mạng
‐ 13
-
- Giám sát các trạng thái các bộ phận của mạng
- Giám sát trung tâm bảo dưỡng và khai thác OMC của các vùng và cung cấp
thông tin đến các bộ phận OMC.
• Trung tâm quản lý và khai thác OMC
OMC cung cấp chức năng chính để điều khiển và giám sát các bộ phận
trong mạng (các BTS, MSC, các cơ sở dữ liệu ). OMC có các chức năng:
quản lý cảnh báo, quản lý sự cố, quản lý chất lượng, quản lý cấu hình và quản lý
bảo mật.

1.2.2.4. Trạm di động MS
MS là thiết bị đầu cuối chứa các chức năng vô tuyến chung, xử lý giao diện
vô tuyến và cung cấp các giao diện với người dùng (màn hình, loa, bàn phím ).
Một trạm di động gồm hai phần chính:
Hình 1.5 : Thành phần của MS
- ME (Mobile Equipment - thiết bị di động): Là phần cứng được dùng để thuê
bao truy nhập vào mạng. ME chứa kết cuối di động (MT) phụ thuộc vào ứng dụng
và các dịch vụ, có thể kết hợp các nhóm chức năng thích ứng đầu cuối (TA) và
thiết bị đầu cuối (TE) khác nhau.
- SIM (Subscriber Identity Module – modul nhận dạng thuê bao): Gắn chặt với
người dùng trong vai trò một thuê bao duy nhất, có thể làm việc với nhiều ME
khác nhau. SIM là một card điện tử thông minh được cắm vào ME để nhận dạng
thuê bao và tin tức bảo vệ loại dịch vụ mà thuê bao đăng ký. SIM có phần cứng
‐ 14
-
và phần mềm cần thiết với bộ nhớ có thể lưu trữ thông tin. Có hai loại thông tin là
thông tin cố định và thông tin thay đổi:
+ Thông

t

in cố định:
* Số nhận dạng thuê bao MSISDN, IMSI. Thuê bao sẽ được kiểm tra tính hợp
lệ trước khi truy nhập vào mạng thông qua số nhận dạng IMSI được thực hiện bởi
trung tâm nhận thực AuC.
* Mã khoá cá nhân Ki.
+ Thông tin thay đổ

i:
* Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI

* Số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI
Một số TMSI sẽ tương ứng với một IMSI được 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.
1.3. MẠNG BÁO HIỆU VÀ CÁC KHÍA CẠNH MẠNG
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 gói 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.
‐ 15
-
- Cung cấp và giải phóng kênh điều khiển (SDCCH). BSC thực hiện các chức
năng này, BTS sẽ xử lý trao đổi các thông tin tới /từ MS.
- Cung cấp và giải phóng kênh lưu lượng (TCH) để thiết lập, xoá và chuyển
giao. BSC thực hiện các chức năng này và BTS xử lý các khối kênh lien quan.
- Nhận định hoàn thành việc chuyển giao. BTS báo với BSC khi nó
đã phát hiện có tín hiệu của MS trên kênh lưu lượng mới.
- Điều khiển mã hóa/giải mã. BTS thực hiện chức năng kích 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 kênh lưu lượng.
- Kiểm tra chất lượng truyền dẫn và độ dài tín hiệu trong các kênh 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 có các chức năng: mã hoá kênh, 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 ký 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.
‐ 16
-
- 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 kênh 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 khi ISUP được sử dụng để thiết lập và xoá các kết nối.
• Các giao thức giữa GMSC và MSC

ISUP được sử dụng giống như trong PSTN/ISDN.
• 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 ký, 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 kênh được cung cấp cho MS
‐ 17
-
hay phân kênh nhắn sẽ được xử lý trong lớp RR. Hơn nữa, lớp 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)

Trong mạng cellular, các kênh vô tuyến và cố định không 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.
- Các cell dưới sự điều khiển của nhiều BSC khác nhau nhưng 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 được 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
được. Thông tin này được truyền tới BSC và MSC ít nhất 1 giây một lần.
• Chuyển giao trong cùng một BSC:
Ở trường hợp này BSC phải thiết lập một đường 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 được các thông tin
mới và các ô lân cận. Nếu như 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 nhưng cùng một MSC/VLR:
‐ 18
-
Trường hợp này cho thấy sự chuyển giao trong cùng một vùng phục vụ
nhưng 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 đường nối
thông mới (MSC/VLR ⇔ BSC mới ⇔ BSC mới) phải
được thiết lập nếu có TCH
rỗi. TCH này phải được dành cho chuyển giao. Sau đó khi MS nhận được lệnh
chuyển đến tần số mới và TCH mới. Ngoài ra, sau khi chuyển giao MS được
thông báo về các ô lân 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:
Đây là trường hợp chuyển giao phức tạp nhất nhiều tín hiệu được trao đổi
trước khi thực hiện chuyển giao. Ta sẽ xét 2 MSC/VLR, gọi MSC/VLR cũ (tham
gia cuộc gọi trước khi chuyển giao) là tổng đài phục vụ và MSC/VLR mới là tổng
đài đích. Tổng đài cũ sẽ gửi yêu cầu chuyển giao đến tổng đài đích. Sau đó, tổng
đài đích sẽ đảm nhận việc chuẩn bị nối ghép tới BTS mới. Sau khi thiết lập đường
nối giữa hai tổng đài cũ sẽ gửi đi lệnh chuyển giao đến MS.
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 kênh 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 cấp độ cell tới mạng. Do đó các bản tin nhắn được gửi chính xác tới một
cell nhưng sẽ rất lãng phí băng thông do số lượng các bản tin cập nhật vị trí lớn.
Một giải pháp được thực hiện trong GSM là nhóm các cell thành các vùng định vị
LA (Location Area). Chỉ khi 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
‐ 19
-
HLR. Khi MS vào một LA mới hoặc PLMN của một nhà vận hành khác, nó phải
đăng ký 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
đó 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 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 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 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 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 khác 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.
• Định tuyến cuộc gọi
Không giống như định tuyến một cuộc gọi trong mạng cố định mà thiết bị
‐ 20
-
được kết nối với bộ phận trung tâm, người sử dụng GSM có thể chuyển vùng quốc
gia và quốc tế. Số quay trực tiếp 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 đó nó có
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, không được cung cấp cho thuê bao.
T
hủ 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 đó phải truy vấn VLR hiện tại của thuê
bao mà cung cấp tạm thời MSRN. MSRN này được gửi lại HLR và GMSC, sau đó
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 có
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: 124 x 8 (TS) = 992 kênh.
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
‐ 21
-
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 577
μs). 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 khung, siêu đa khung, siêu siêu khung như hình vẽ:


Hình 4.1- Tổ chức khung, đa khung
1.4.1.2. Kênh logic
Các kênh logic là các kênh 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.
• Kênh lưu lượng (TCH - Traffic Channel):
‐ 22
-
Các kênh lưu lượng này gồm hai loại được định nghĩa như sau:
- 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.
• Kênh báo hiệu điều khiển :
Các kênh báo hiệu điều khiển được chia làm ba loại: Kênh điều khiển
quảng bá, kênh điều khiển chung, kênh dành riêng.
- Kênh 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 kênh điều khiển chung (CCCH - Common Control Channel)
gồm:
Kênh tìm gọi (PCH - Paging Channel) sử dụng cho đường xuống để
tìm gọi máy di động. Kênh thâm nhập ngẫu nhiên (RACH - Random Access
Channel) được MS dùng để yêu cầu cung cấp một kênh dành riêng SDCCH. Kênh
cho phép thâm nhập (AGCH - Access Grant Channel) chỉ được sử dụng ở
đường xuống để chỉ định một kênh SDCCH cho MS.
- Các kênh điều khiển dành riêng (DCCH-Dedicated Control
Channel) gồm:
Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình (SDCCH - Stand Alone
DCCH) chỉ được sử dụng dành riêng cho báo hiệu với một MS.
Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH - Slow Associcated
Control Channel) liên kết với một TCH hay một SDCCH.
Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH - Fast Associcated Control Channel)
liên kết với một TCH. FACCH làm việc ở chế độ lấy lén bằng cách thay đổi lưu

lượng tiếng hay số liệu bằng báo hiệu.
Kênh quảng bá (CBCH - Cellular Broadcast Channel): Chỉ được dùng
‐ 23
-
đường xuống để phát quảng bá các bản tin ngắn (SMSCB) cho các tế bào CBCH
sử dụng cùng kênh vật lý như kênh SDCCH.
1.4.2. Sắp xếp các kênh logic ở các kênh vật lý
Xét một BTS với n sóng mang (truyền song công, mỗi sóng mang
Co, ,Cn) có 8 khe thời gian Ts. Với Co đường xuống, TS0 được dùng chỉ
định sắp xếp các kênh điều khiển.
Ghép các BCH và CCCH ở TS0:
- TS0 ở sóng mang Co, đường lên xuống chứa các kênh FCCH, SCH
và BCCH, nó được dùng để thâm nhập BCCH, FCCH, SCH, FCH,
AGCH
đường xuống riêng RACH ở đường lên.
- Đối với TS1 được sử dụng để sắp xếp các kênh điều khiển dành
AGCH
đường xuống riêng RACH ở đường lên.Do tốc độ bit trong quá trình thiết lập cuộc
gọi và đăng ký khá thấp nên có thể 8 SDCCH ở một TS1, sử dụng TS hiệu quả
hơn.
Các cách ghép kênh ở TS1:
- CDCCH + SACCH đường xuống.
- SDCCH + SACCH đường lên.
Ở TS1 thông tin của khe sẽ được sử dụng cho các kênh lưu thông TCH. TS2 -
TS7 gọi là kênh thông tin lưu không logic với chu kỳ lặp lại là 26 TS.
‐ 24
-
TS0: Là các kênh điều khiển logic, chu kỳ lặp lại là 51 Ts. TS1: Các kênh điều
khiển logic, chu kỳ lặp lại là 102 Ts.
- Với các sóng mang C

1
- C
N
dành cho TS0 - TS7 đều là TCH.
- Mỗi ô chỉ có 1 Co và chỉ có sau TCH ( TS2 - TS7 ).
- Với sóng mang bổ xung, cả TS có thể sử dụng cho TCH.
1.5.
CÁC DỊCH VỤ TRONG GSM
Các dịch vụ trong GSM thông thường là dịch vụ chuyển mạch kênh.
Giao diện vô tuyến sau khi đã thực hiện sửa sai là 12 Kbps (hoặc 13 Kbps cho
thoại). Tốc độ tối đa cho người sử dụng là 9,6 Kbps giữa MS và MSC. Trong
nền tảng đó, GSM có các nhóm dịch vụ sau:
1.5.1. Dịch vụ thoại.
Là dịch vụ quan trọng nhất của GSM . Nó cho phép các cuộc gọi hai
hướng diễn ra giữa người sử dụng GSM với thuê bao bất kỳ ở một mạng điện
thoại nói chung nào.
Dịch vụ cuộc gọi khẩn là một loại dịch vụ khác bắt nguồn từ dịch vụ
thoại. Nó cho phép người dùng có thể liên lạc với các dịch vụ khẩn cấp như
cảnh sát hay cứu hoả mà có thể có hoặc không SIM Card trong máy di động. Một
dịch vụ khác nữa là VMS, cho phép các bản tin thoại có thể được lưu trữ rồi lấy ra
ở thời điểm bất kỳ.
1.5.2. Dịch vụ số liệu
GSM được thiết kế để đưa ra rất nhiều dịch vụ số liệu. Các dịch vụ số liệu
được phân biệt với nhau bởi người sử dụng phương tiện (người sử dụng điện
thoại PSTN, ISDN hoặc các mạng đặc biệt ), bởi bản chất các luồng thông tin
đầu cuối (dữ liệu thô, Fax, Videotex, Teletex ), bởi
phương tiện truyền dẫn (gói
hay mạch , đồng bộ hay không đồng bộ )
và bởi bản chất thiết bị đầu cuối.
Các dịch vụ này chưa thực sự thích hợp với môi trường di động. Một

trong các vấn đề đó là do yêu cầu thiết bị đầu cuối khá cồng kềnh, chỉ phù hợp với
mục đích bán cố định hoặc thiết bị đặt trên ô tô.
‐ 25
-