Báo cáo full Hệ thống thông tin di động GSM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

----❧■■❧----

BÁO CÁO HỆ THỐNG VIỄN THÔNG
ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

GVHD : ThS.
NHÓM : 4
LỚP

: DV14

TP.HCM , 9/2017


MỤC LỤC

I.

TỔNG QUAN MẠNG GSM

1. Khái niệm mạng thông tin di dộng – Lịch sử phát triển
Từ đầu năm 1980 sau khi hệ thống WMT đã đưa vào hoạt động một cách
thành công thì nó cũng biểu hiện một số hạn chế.
Thứ nhất: do yêu cầu của dịch vụ quá lớn so với mong đợi của các nhà thiết
kế nên hệ thống này không thể đáp ứng được.
Thứ hai: các hệ thống khác nhau đang hoạt động không phù hợp với người

dùng trong mạng.
Ví dụ: một đầu cuối trong TACS không thể truy nhập vào mạng NMT cũng
như một đầu cuối NMT không thể truy nhập vào mạng TACS.
Thứ ba: nếu thiết kế một mạng cho toàn Châu Âu thì không một nước nào đáp
ứng được vì vốn đầu tư quá lớn.
Tất cả những hạn chế trên dẫn đến một yêu cầu là phải thiết kế một hệ thống
mới được làm theo kiểu chung để có thể dùng cho nhiều nước. Trước tình
hình đó vào tháng 9/1987 trong hội nghị của Châu Âu về bưu chính viễn
thông, 17 quốc gia đang sử dụng mạng điện thoại đã họp hội nghị và ký vào
biên bản ghi nhớ làm nền tảng cho mạng thông tin di động số là toàn Châu Âu
sử dụng dải tần 900 Mhz.


Đến năm 1988 viện tiêu chuẩn Châu Âu (European- TelecommunicationStandard Institute) đã thành lập nhóm đặc trách về mạng thông tin di động số
GSM. Nhóm này có nhiệm vụ đưa ra tiêu chuẩn thống nhất cho thông tin di
động số GSM dưới hình thức các khuyến nghị, lấy các tiêu chuẩn này làm cơ
sở cho việc xây dựng mạng thông tin di động và làm sao cho chúng thống
nhất, tương thích nhau.
2. Khái niệm mạng GSM
GSM là hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Anh: Global System for
Mobile Communication, được viết tắt là: GSM) là một công nghệ dùng cho
mạng thông tin di động. Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên
212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các mạng thông tin di động GSM cho phép có
thể roaming với nhau. Do đó những máy điện thoại di động của các mạng
GSM khác nhau ở chỗ có thể sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới.
GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới.
Khả năng có thể phủ sóng khắp nơi của chuẩn GSM khiến nó trở nên phổ biến
trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều
vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn trước kia về cả tín hiệu, tốc độ
lẫn chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ

2 (second generation, 2G ). GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển
bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP).
3. Cấu trúc cơ bản
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 lí 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. Dạng
cell được minh họa như sau:


Sáu BTS bao quanh tạo thành các đường biên hình lục giác đều, biểu thị vùng
phủ sóng của một cell. Khi MS di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của cell, nó
phải được chuyển giao làm việc với BTS của cell khác. Đặc điểm của cellular
là việc sử dụng lại tần số và kích thước của mỗi cell khá nhỏ.

Kích thước của cell tùy thuộc vào số thuê bao trong vùng và cấu trúc địa lí
của từng vùng. Do sự tăng trưởng lưu lượng không ngừng trong một cell nào
đó dẫn đến chất lượng giảm sút quá mức. Để khắc phục hiện tượng này người


ta tiến hành việc chia tách cell xét thành các cell nhỏ hơn. Với chúng, người ta
dùng công suất nhỏ hơn và mẫu sử dụng lại tần số được dùng ở tỉ lệ xích nhỏ
hơn.

Thông thường, các cuộc gọi có thể kết thúc trong một cell. Với hệ thống
thông tin di động cellular phải có khả năng điều khiển và chuyển mạch để
cuộc gọi từ cell này sang cell khác mà không làm ảnh hưởng đến cuộc gọi.
Điều này làm cho mạng di động có cấu trúc khác biệt với các mạng cố định.
Mạng thông tin di động số cellular thực chất là mạng mặt đất công cộng

PLMN (Public Land Mobile Network). PLMN cung cấp cho các thuê bao khả
năng truy cập vào mạng thông tin di động toàn cầu từ MS đến MS. Do đặc
tính di động của MS, mạng phải theo dõi MS liên tục để xác định MS hiện
đang ở trong cell nào. Điều này được thực hiện bởi khái niệm vùng định vị
LA (Location Area). Vùng định vị là một nhóm cell liên thông nhỏ hơn toàn
bộ lãnh thổ mà PLMN quản lí. Khi MS di chuyển từ cell này sang cell khác
trong cùng một vùng định vị thì MS không cần thông báo cho PLMN về vị trí
hiện thời của mình.


4. Sơ lược lịch sử phát triển
Vào đầu thập niên 1980, tại Châu Âu, người ta phát triển một mạng ĐTDĐ
chỉ sử dụng trong một số khu vực. Sau đó năm 1982 nó được chuẩn hóa bởi
CEPT (European Conference of Postal and Telecommunication
Administrations) và tạo ra Groupe Spécial Mobile (GSM) với mục đích phát
triển một chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động để có thể sử dụng
chung cho toàn Châu Âu. Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM
được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi mạng Radiolinja ở Phần Lan.
Vào năm 1989, công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được
chuyển cho Viện viễn thông Châu Âu (European Telecommunications
Standards Istitute - ETSI) và các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ
GSM được công bố vào năm 1990.
Năm 1992, Telstra Australia là mạng đầu tiên ngoài Châu Âu ký vào biên bản
ghi nhớ của GSM MoU (Memorandum of Understanding). Cũng trong năm
này, thỏa thuận chuyển vùng quốc tế đầu tiên được ký kết giữa hai mạng
Finland Telecom của Phần Lan và Vodafone của Anh. Tin nhắn đầu tiên cũng
được gửi đi trong năm 1992.
Những năm sau đó, hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM phát triển một
cách mạnh mẽ, cùng với sự gia tăng nhanh chóng của các nhà điều hành, các
mạng di động mới thì số lượng các thuê bao cũng gia tăng một cách chóng

mặt. Đến cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của
70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia. Năm 1996, số thành viên GSM
MoU đã lên tới 200 nhà điều hành từ gần 100 quốc gia, 167 mạng hoạt động
trên 94 quốc gia với số thuê bao đạt trên 50 triệu. Năm 2000, GPRS được ứng
dụng. Năm 2001, mạng 3GSM (UMTS) được đi vào hoạt động, số thuê bao
GSM đã vượt quá 500 triệu. Năm 2003, mạng EDGE đi vào hoạt động. Cho
đến năm 2006 số thêu bao di động GSM đã lên tới con số 2 tỉ với trên 700 nhà
điều hành, chiếm gần 80% thị phần thông tin di động trên thế giới. Theo dự
đoán của GSM Association, năm 2007 số thuê bao GSM sẽ đạt 2,5 tỉ.


Hình 1.1 Thành phần di động trên thế giới năm 2006.
5. Các dịch vụ được tiêu chuẩn ở GSM.
5.1.

Dịch vụ thoại

−
−
−
−
−
−
−
−
−

Chuyển hướng các cuộc gọi vô điều kiện.
Chuyển hướng cuộc gọi khi thuê bao di động không bận.
Chuyển hướng cuộc gọi khi không đến được MS.

Chuyển hướng cuộc gọi khi ứ nghẽn vô tuyến.
Cấm tất cả các cuộc gọi ra.
Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế.
Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế trừ các nước PLMN thường trú.
Cấm tất cả các cuộc gọi đến.
Cấm tất cả các cuộc gọi đến khi lưu động ở nước ngoài có PLMN

−
−
−
−

thường trú.
Giữ cuộc gọi.
Đợi gọi.
Chuyển tiếp cuộc gọi.
Hoàn thành các cuộc gọi đến các thuê bao bận.


−
−
−
−
−
−
−
5.2.

Nhóm và sử dụng khép kín.
Dịch vụ ba phía.

Thông báo cước phí.
Dịch vụ điện thoại không tính cước.
Nhận dạng số chủ gọi.
Nhận dạng cuộc gọi hiềm thù.
Nhận dạng số thoại được nối.
Các dịch vụ số liệu:

− GSM được thiết kế để đưa ra rất nhiều các 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 của 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 của thiết bị đầu cuối.
− Các dịch vụ này chưa thực sự thích hợp với môi trường di động. Một
trong các yêu cầu 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.

5.3.

Dịch vụ bản tin nhắn:

Dịch vụ bản tin nhắn khá phù hợp với môi trường di động các bản tin nhắn độ
dài vài octet có thể được tiếp nhận bằng thiết bị đầu cuối rất nhỏ.
Có hai loại dịch vụ bản tin nhắn:
− Dịch vụ bản tin nhắn truyền điểm - điểm (giữa hai thuê bao). Loại này
được chia thành hai loại nhỏ:
+ Dịch vụ bản tin nhắn kết cuối di động, điểm – điểm (SMS- MO/
PP). Cho phép người sử dụng GSM nhận các bản tin nhắn.
+ Dịch vụ bản tin nhắn khởi đầu từ Mobile, điểm – điểm (SMSMI/PP). Cho phép người sử dụng GSM gửi bản tin đến người sử
dụng GSM khác.

− Dịch vụ bản tin nhắn phát quảng bá: cho phép bản tin nhắn gửi đến
máy di động trên một vùng địa lý nhất định.


6. Các tiêu chuẩn kỹ thuật
Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM:
− Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do của các
thuê bao trong khu vực Châu Âu, có nghĩa là một thuê bao có thể thâm
nhập sang mạng của các nước khác khi di chuyển sang biên giới. Trạm
di động GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi
thông tin ở bất cứ nơi nào phủ sóng quốc tế.
− Về khả năng phục vụ:
+ Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể dùng được tất cả

các nước có mạng.
+ Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh
hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan đến mạng
số kết nối đa dịch vụ (ISDN).
+ Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tàu
viễn dương như một mạng mở rộng có các dịch vụ di động
mặt đất.
− Về chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật:
+ Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng
như các hệ thống di động tương tự trước đó trong điều kiện
vận hành thực tế.
+ Hệ thống có khả năng bảo mật, mã hóa thông tin người
dùng mà không ảnh hưởng đến hệ số cũng như không ảnh
hưởng đến các thuê bao khác không dùng đến khả năng
này.
− Về sử dụng tần số:

+ Hệ thống cho phép mức độ cao và hiệu quả của dải tần mà có thể
phục vụ ở vùng thành thị và nông thôn cũng như các dịch vụ mới
phát triển.
+ Dải tần số hoạt động là 890- 915 và 935-960 Mhz.
+ Hệ thống GSM 900 Mhz phải có thể tồn tại cùng các hệ

thống dùng 900 Mhz trước đây.


− Về mạng:
+ Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT.
+ Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT.
+ Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác

nhau khi được nhận dùng trong các mạng khác nhau.
+ Trung tâm chuyển mạng và các thanh ghi định vị phải dùng
hệ thống báo hiệu được tiêu chuẩn hóa quốc tế.
+ Chức năng bảo vệ thông tin báo hiệu và thông tin điều
khiển mạng phải được cung cấp trong hệ thống.
7. Công nghệ sử dụng - Ứng dụng
− Sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng
sẵn có:
− PSTN – Public Swithed Telephone Network (Mạng điện thoại chuyển
mạch công cộng).
− ISDN – Intergrated Service Digital Network (Mạng số tích hợp đa dịch
vụ).
− 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 thê bao khác đang ở đâu.
8. Ưu điểm nhược điểm
− Đối với Mạng 1G: hệ thống thông tin tương tự, dịch vụ hạn chế và
không cho phép roaming.
− Khi nâng cấp lên hệ thống 2G (GSM):
+ Hệ thống thông tin số tăng cường băng thông và chất lượng dịch
vụ. Nhu cầu Internet 2.5G (GPRS).
+ Ngoài ra còn có chức năng định vị GPS, tin nhắn SMS, các hệ
thống báo hiệu.
9. An toàn bảo mật
Mạng GSM có những rủi ro bảo mật như:


− Tấn công giả mạo thiết bị di động đầu cuối.
− Nghe lén cuộc gọi.
− Tấn công dùng phương thức người thứ ba đứng giữa (man in the
middle attack).
Phương pháp:
− Mạng kiểm tra sự hợp lệ của mỗi thuê bao GSM bởi thẻ đăng kí 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 nhiều dịch vụ và cho
phép người dùng truy nhập vào các PLMN khác nhau.
− Đồng thời trong hệ thống GSM còn có trung tâm nhận thực AuC
(Authentication Center), trung tâm này cung cấp mã bảo mật chống
nghe trộm cho từng đường vô tuyến và thay đổi cho từng thuê bao.
10.Tổng quát hệ thống báo hiệu số 7
10.1. Sơ lược về báo hiệu số 7.
Những năm 1960, khi các tổng đài được điều chỉnh bằng trương trình lưu
trữ được đưa vào sử dụng trong mạng thoại đã nảy sinh yêu cầu cần phải có

một phương thức báo hiệu mới với nhiều đặc tính ưu việt hơn so với các
phương thức cổ điển. Trong phương thức này, các đường số liệu tốc độ cao
được nối giữa các bộ sử lý của tổng đài SPC để mang mọi thông tin báo hiệu.

Mạ

Các đường trung kế

Mạ

ng

ng

chu

chu

yển

yển


Đầu cuối

MP

Đầu cuối
Đường báo hiệu

MP
C
C
Các tổng đài SPC cùng với các đường báo hiệu tạo thành một mạng báo
hiệu chuyển mạch gói riêng biệt.
Năm 1968 CCITT đưa ra khuyến nghị về hệ thống báo hiệu kênh chung,
và đầu tiên là báo hiệu CCS6.
Năm 1979/80, CCITT giới thiệu hệ thống báo hiệu kênh chung mới
CCS7, CCS7 mới được thiết kế cho mạng quốc gia và quốc tế sử dụng các
trung kế số, tốc độ 64kbps.
10.2. Vai trò của hệ thống báo hiệu số 7
Hệ thống báo hiệu kênh liền kề CSA (Channel Associated Signalling) sử
dụng chung một đường truyền cho cả tín hiệu báo hiệu và dữ liệu nên hạn chế
về tốc độ truyền dữ liệu cũng như tốc độ truyền thoại vì thế mà tốc độ truyền
báo hiệu cũng không thể nâng cao được.
Hệ thống báo hiệu kênh chung số 7 với những ưu điểm khắc phục được
những nhược điểm của báo hiệu liền kênh. Nó thích hợp cho cả thông tin
dùng kỹ thuật tương tự và thông tin dùng kỹ thuật số. Trong hệ thống báo hiệu
kênh chung CCS này các đường báo hiệu được tách rời riêng biệt với các
đường trung kế của mạng dữ liệu thông tin nên có những ưu điểm sau:
− Được chuẩn hoá theo tiêu chuẩn quốc tế nên rất dễ dàng áp dụng vào
mạng báo hiệu của từng quốc gia.
− Tốc độ truyền dữ liệu cao, có thể đạt tới tốc độ 64kb/s bằng tốc độ
truyền tin hay cũng có thể truyền với tốc độ thấp hơn để thực hiện báo
hiệu cho các đường trung kế tương tự. Do vậy đã rút ngắn thời gian
thiết lập cuộc gọi.
− Dung lượng truyền báo hiệu lớn do một đường báo hiệu có thể cho
phép mạng báo hiệu vài nghìn cuộc gọi cùng một lúc.

− Tính kinh tế: Do mạng báo hiệu kênh chung CCS7 so với các mạng
báo hiệu khác cần ít thiết bị hơn nên chi phí ít hơn.
− Hệ thống báo hiệu kênh chung CCS7 sử dụng đường dây báo hiệu
riêng biệt với đường truyền tin nên nó có thể thích hợp cho các dịch vụ
viễn thông phi thoại khác như truyền số liệu, Fax, máy tính…
− Độ tin cậy cao do CCS7 sử dụng đường truyền báo hiệu dự phòng.
− Tính mềm dẻo: Do hệ thống báo hiệu này gồm rất nhiều loại tín hiệu vì
vậy có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau đáp ứng cho nhiều
loại mạng khác nhau như:
+ Mạng thông tin di động mặt đất PLMN (Public Land Mobile
Network).
+ Mạng chuyển mạch thoại công cộng PSTN (Public Switching
Telephone Network).
+ Mạng số liệu đa dịch vụ ISDN (Intergreted Service Digital
Network).
+ Mạng trí tuệ IN (Intelligent Network).

II.

CẤU TRÚC MẠNG GSM

1 Cấu trúc địa lý mạng GSM
Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi
đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi. Ở một mạng di động,
cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng.
Trong hệ thống GSM, mạng được phân chia thành các phân vùng sau:
10.3. Vùng phục vụ PLMN (Public Land Mobile Network)


Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia

thành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác
nhau có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới.
Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ PLMN, đó có thể là một hay nhiều vùng
trong một quốc gia tùy theo kích thước của vùng phục vụ.
Kết nối các đường truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác
(cố định hay di động) đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế. Tất
cả các cuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều được định tuyến thông qua
tổng đài vô tuyến G-MSC (Gateway - Mobile Service Switching Center). GMSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN.
10.4. Vùng phục vụ MSC
MSC (Trung tâm chuyển mach các nghiệp vụ di động, gọi tắt là tổng đài di
động). Vùng MSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý. Để định
tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động. Mọi thông tin để định tuyến
cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được
lưu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR.
Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ
MSC/VLR.
10.5. Vùng định vị (LA - Location Area)
Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị LA. Vùng
định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, mà ở đó một trạm di
độngcó thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho
tổng đài MSC/VLR điểu khiển vùng định vị này. Vùng định vị này là một
vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di
động bị gọi. Vùng định vị LA được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao
đang ở trạng thái hoạt động. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng
cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity)
LAI = MCC + MNC + LAC
MCC (Mobile Cuontry Code) mã quốc gia


MNC (Mobile Network Code) mã mạng di động

LAC (Location Area Code) mã vùng định vị (16 bit)
10.6. Cell (Tế bào hay Ô)
Vùng định vị được chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thì
không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng. Cell là đơn vị cơ sở của
mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng nhận dạng ô
toàn cầu (CGI). Mỗi ô được quản lý bởi một trạm vô tuyến gốc BTS.

CGI = MCC + MNC + LAC + CI
CI (Cell Identity): Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định vị.
Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm
gốc BSIC (Base Station Identification Code).
11.Cấu trúc mạng GSM
Hệ thống GSM có thể chia thành nhiều hệ thống con.
Hệ thống con chuyển mạch SS (Switching Subsystem), hệ thống con trạm gốc
BSS (Base Station Subsystem), hệ thống khai thác và bảo dưỡng mạng OMC
(Operations & Maintenance Center).

Hình 13 Mô hình hệ thống GSM
Các ký hiệu:


−
−
−
−
−
−

SS: Hệ thống chuyển mạch
AUC: Trung tâm nhận thực

VLR: Bộ ghi định vị tạm trú
HLR: Bộ ghi định vị thường trú
EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị
MSC: Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (gọi tắt là tổng đài

−
−
−
−
−
−
−
−
−

vô tuyến)
BSS: Hệ thống trạm gốc
BTS: Trạm thu phát gốc
BSC: Hệ thống điều khiển trạm gốc
MS: Trạm di động
OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng
ISDN: Mạng liên kết đa dịch vụ
PSPDN: Mạng chuyển mạch công cộng theo gói
PSSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
PLMN: Mạng di động công cộng mặt đất.

Cấu trúc mạng di động số GSM theo khuyến nghị của GSM thì mạng GSM
được chia thành hệ thống chuyển mạch (SS) và hệ thống trạm gốc BSS. Mỗi
một hệ thống chứa một số khối chức năng và các khối này được thực hiện ở
các phần cứng khác nhau.

11.1. Các thành phần chức năng trong hệ thống
Trạm di động (MS) bao gồm điện thoại di động và một thẻ thông minh xác
thực thuê bao (SIM). SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế người sử
dụng có thể lắp SIM vào bất cứ máy điện thoại di động GSM nào truy nhập
vào dịch vụ đã đăng ký. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số
nhận dạng điện thoại di động IMEI (International Mobile Equipment
Identity). Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI
(International Subcriber Identity) để hệ thống nhận dạng thuê bao, một mật
mã để xác thực và các thông tin khác. IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập với
nhau để đảm bảo tính di động cá nhân. Card SIM có thể chống việc sử dụng
trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân (PIN)


Hệ thống trạm gốc gồm có hai phần Trạm thu phát gốc (BTS) và Trạm điều
khiển gốc (BSC). Hai phần này giao tiếp với nhau qua giao diện Abis, cho
phép các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau có thể "bắt tay" nhau được.
Trạm thu phát gốc có bộ thu phát vô tuyến xác định một ô (cell) và thiết lập
giao thức kết nối vô tuyến với trạm di động. Trong một khu đô thị lớn thì số
lượng BTS cần lắp đặt sẽ rất lớn. Vì thế, yêu cầu đối với trạm BTS là chắc
chắn, ổn đinh, có thể di chuyển được và giá thành tối thiểu.
Trạm điều khiển gốc quản lý tài nguyên vô tuyến cho một hoặc vài trạm BTS.
Nó thực hiện thiết lập kênh vô tuyến, phân bổ tần số, và chuyển vùng. BSC là
kết nối giữa trạm di động và tổng đài chuyển mạch di động MSC.
Thành phần trung tâm của hệ thống mạng là tổng đài chuyển mạch di
động MSC. Nó hoạt động giống như một tổng đài chuyển mạch PSTN hoặc
ISDN thông thường, và cung cấp tất cả các chức năng cần thiết cho một thuê
bao di động như: đăng ký, xác thực, cập nhật vị trí, chuyển vùng, định tuyến
cuộc gọi tới một thuê bao roaming (chuyển vùng). MSC cung cấp kết nối đến
mạng cố định ( PSTN hoặc ISDN). Báo hiệu giữa các thành phần chức năng
trong hệ thống mạng sử dụng Hệ thống báo hiệu số 7 (SS7).

Bộ ghi địa chỉ thường trú (HLR) và Bộ ghi địa chỉ tạm trú (VLR) cùng với
tổng đài chuyển mạch di động MSC cung cấp khả năng định tuyến cuộc gọi
và roaming cho GSM. HLR bao gồm tất cả các thông tin quản trị cho các thuê
bao đã được đăng ký của mạng GSM, cùng với vị trí hiện tại của thuê bao. Vị
trí của thuê bao thường dưới dạng địa chỉ báo hiệu của VLR tương ứng với
trạm di động. Chỉ có một HLR logic cho toàn bộ mạng GSM mặc dù nó có
thể được triển khai dưới dạng cơ sở dữ liệu phân bố.
Bộ ghi địa chỉ tạm trú (VLR) bao gồm các thông tin quản trị được lựa chọn từ
HLR, cần thiết cho điều khiển cuộc gọi và cung cấp dịch vụ thuê bao, cho các
di động hiện đang ở vị trí mà nó quản lý. Mặc dầu các chức năng này có thể
được triển khai ở các thiết bị độc lập nhưng tất cả các nhà sản xuất tổng đài


đều kết hợp VLR vào MSC, vì thể việc điều khiển vùng địa lý của MSC
tương ứng với của VLR nên đơn giản được báo hiệu. Chú ý rằng MSC không
chứa thông tin về trạm di động cụ thể- thông tin này được chứa ở bộ ghi địa
chỉ..
Có hai bộ ghi khác được sử dụng cho mục đính xác thực và an ninh . Bộ ghi
nhận dạng thiết bị (EIR) là một cơ sở dữ liệu chứa một danh sách của tất cả
các máy điện di dộng hợp lệ trên mạng với mỗi máy điện thoại được phân biệt
bởi số IMEI. Một IMEI bị đánh dấu là không hợp lệ nếu nó được báo là bị
mất cắp hoặc có kiểu không tương thích. Trung tâm xác thực (AuC) là một cơ
sở dữ liệu bảo vệ chứa bản sao các khoá bảo mật của mỗi card SIM, được
dùng để xác thực và mã hoá trên kênh vô tuyến
11.2. Hệ thống trạm BSC
BSC (bộ điều khiển trạm gốc): thành phần nằm giữa trung tâm chuyển mạch
và trạm thu phát gốc (BTS). Là một trong những thành phần quan trọng nhất
của mạng vô tuyến, thiết bị này cung cấp các chức năng điều khiển giao diện
vô tuyến bao gồm điều khiển chuyển giao, tần số sử dụng và điều khiển công
suất tín hiệu đối với mỗi người dùng, quản lý tài nguyên và các tham số vô

tuyến... Hiện nay, thiết bị BSC Alcatel-Lucent đang sử dụng là 9130 BSC
Evolution. Đây là một thiết bị dựa trên nền tảng công nghệ mới, mođun hóa,
hỗ trợ khả năng thay thế, tiết kiệm chi phí khi triển khai mở mở rộng.


Hình 2 mô tả hệ thống BSC
Tính năng:
− Dựa trên kiến trúc công nghệ mới nhất ATCA,
− Hỗ trợ khả năng đa shelf với 2 ATCA shelf trên một subrack.
− Kết nối modun hóa, dễ dàng trong vận hành khai thác thiết bị

cũng như trong quá trình vận chuyển thiết bị.
− Cung cấp khả năng kết nối với nhiều BTS hơn, hỗ trơ lên đến
2800 TRX trên một tủ BSC.
− Kết nối giữa các thành phần ứng dụng với tốc độ lên tới 10
Gigabit Ethernet.
− Chế độ dự phòng (active-stanby), hệ thống làm mát tối ưu cho
phép thiết bị hoạt động ổn định trong một thời gian dài.
− Hỗ trợ khả năng kết nối mạng Full-IP trong tương lai
11.3. Hệ thống trạm BSS
BTS, viết tắt từ tiếng Anh Base Transceiver Station, là trạm thu phát sóng di
động, được dùng trong truyền thông về các thiết bị di động trong các mạng
viễn thông bởi các nhà cung cấp dịch vụ (ISP). Thông thường, BTS được đặt
tại 1 vị trí nhất định theo quy hoạch của các ISP (dựa theo mạng tổ ong),
nhằm tạo ra hiệu quả thu phát sóng cao nhất với vùng phủ sóng rộng và ít có
các điểm, vùng nằm giữa các BTS mà không được phủ sóng.


Thực hiện chức năng vô tuyến trực tiếp đến các thuê bao di động MS thông
qua giao diện vô tuyến Um. BTS gồm các thiết bị thu, phát, anten và các khối

xử lý tín hiệu. BTS được coi là một modem vô tuyến phức tạp có thêm một số
chức năng khác.
Chức năng chính của BTS là:
+
+
+
+

Quản lý lớp vật lý truyền dẫn vô tuyến
Quản lý giao thức liên kết số liệu giữa MS với BSC
Vận hành và bảo dưỡng trạm BTS
Cung cấp các thiết bị truyền dẫn và ghép kênh nối trên giao tiếp
A- bis

Một BTS điển hình bao gồm: một trạm thu phát (TRX) nhằm xử lý việc
truyền và nhận tín hiệu, gửi và nhận các tín hiệu từ các phần tử mạng cao hơn;
một bộ tổ hợp sẽ kết hợp nguồn cấp dữ liệu từ một số trạm thu phát để được
gửi đi thông qua một ăng-ten duy nhất do đó làm giảm số lượng ăng-ten cần
cài đặt; một bộ khuếch đại công suất giúp khuếch đại tín hiệu từ trạm thu phát
để truyền thông tin qua ăng-ten; một bộ song công được sử dụng để tách việc
gửi và nhận tín hiệu từ các ăng-ten hoặc từ một ăng-ten là một phần bên ngoài
của BTS.
Các thiết bị BTS thường được đặt trong một nơi trú ẩn để bảo vệ các thiết bị
viễn thông tránh khỏi các tác nhân bên ngoài như bụi, ăn mòn, rỉ sét, trộm
cắp, …
Một nhà trạm bao gồm các thiết bị BTS như đã đề cập ở trên, một máy điều
hòa không khí được sử dụng để làm mát không gian trong trạm do nhiệt sinh
ra bởi các thiết bị, một bình điện để cung cấp điện và đèn an ninh cho các
thiết bị.
Nhiệt độ của trạm viễn thông trong thời gian hoạt động vượt quá 55°C là một

tình trạng hoạt động tốt cho các thiết bị điện tử BTS. Điều này đòi hỏi sự cần


thiết của máy điều hòa không khí, đặc biệt là tại nơi có khí hậu nhiệt đới để
duy trì nhiệt độ của nhà trạm giữ ở mức 25°C nhằm kéo dài tuổi thọ của thiết
bị BTS và pin.
Độ ẩm tương đối cũng là mối quan tâm hàng đầu và nó cần được được duy trì
ở mức dưới 60% để tránh sự ngưng tụ của chất lỏng trên thiết bị. Trong hầu
hết các trường hợp, điều hòa không khí thường thực hiện cả 2 chức năng là
làm mát và hút ẩm nhằm mục đích duy trì độ ẩm chấp nhận được.
11.4. Phân hệ chuyển mạch SS
Hệ thống con 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 SS là quản lý thông tin giữa những
người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.
11.4.1.

Trung tâm chuyển mạch di động MSC (Mobile

Switching Center):
Trong SS, chức năng chuyển mạch chính được MSC thực hiện. Nhiệm vụ
chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng
mạng GSM. Một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS, mặt khác nó giao tiếp
với mạng ngoài. MSC thực hiện cung cấp các dịch vụ của mạng cho thuê bao,
chứa dữ liệu và thực hiện các quá trình chuyển giao cuộc gọi (Handover).
Ngoài ra MSC còn làm nhiệm vụ phát tin tức báo hiệu ra các giao diện ngoại
vi.
Chức năng của MSC:
− Xử lí cuộc gọi (Call Processing)
− Điều khiển chuyển giao (Handover Control)

− Quản lí di động (Mobility Manager)
Tương tác mạng IWF (Internetworking Function) : Qua GMSC


1): Khi chủ thuê bao di động bi gọi, thì số liên kết thuê bao di động sẽ có 2
trường hợp xảy ra :
(1).a: Nếu cuộc gọi khởi đầu từ mạng cố định PSTN thì tổng đài sau khi
phân tích số thoại thì sẽ biết

đây là 1 cuộc gọi cho 1 thuê bao di động.

Cuộc gọi sẽ được định tuyến đến tổng đài cổng PSTN gần nhất
(1).b: Nếu cuộc gọi khởi đầu từ trạm di động , MSC phụ trách ô mà trạm
di động trực thuộc sẽ nhận được bản tin thiết lập từ MS thông qua BTS có
chứa số thuê bao của di động bị gọi
(2) MSC (hay GMSC) sẽ phân tích số MSISDN (The MobileStation ISPN)
của thuê bao bị gọi để tìm ra HLR nơi MS đăng kí
(3) MSC (hay GMSC) sẽ hỏi HLR thông tin để có thể định tuyến đến
MSC/VLR quản lí MS
(4) HLR sẽ trả lời , khi đó MSC này có thể định tuyến lại đến MSC cần thiết .
Khi cuộc gọi đến MSC này ,VLR sẽ biết thêm chi tiết hơn về vị trí MS .Như
vậy có thể nối thông cuộc gọi ở mạng GMS, đó là chức năng xử lí cuộc gọi
MSC
Để kết nối mạng MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc
điểm của mạng GSM với các mạng này . Các chức năng này gọi là IWF
(Internetworking Function) .IWF là thiết bị thích ứng để giao thức và truyền
dẫn .IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay thiết bị riêng ,ở
trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở.

11.4.2.

Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location

Register):
Là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất của hệ thống thông tin di động GSM. HLR
lưu trữ các số liệu và địa chỉ nhận dạng cũng như các thông số nhận thực của
thuê bao trong mạng. Các thông tin lưu trữ trong HLR gồm: khóa nhận dạng
thuê bao IMSI, MSISDN, VLR hiện thời, trạng thái thuê bao, khóa nhận thực
và chức năng nhận thực, số lưu động trạm di động MSRN.
11.4.3.

Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location

Register):
VLR là cơ sở dữ liệu thứ 2 trong mạng GSM. Nó được nối với một hay nhiều
MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao hiện đang nằm trong
vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí thuê
bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Các chức năng của VLR thường
được liên kết với các chức năng của MSC.
11.4.4.

Trung tâm nhận thực AuC (Authentication

Center) :
AuC quản lí các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhân
thuê bao dựa trên một khóa nhận dạng bí mật để đảm bảo an toàn số liệu cho
các thuê bao được phép. Khóa này cũng được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật
trong bộ nhớ 10 của MS. Bộ nhớ này có dạng Simcard có thể rút ra và cắm lại
được. AuC có thể được đặt trong HLR hoặc MSC hoặc độc lập với cả hai.

11.4.5.

Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity

Register) :
Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR.
EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến phần thiết bị di động ME của
trạm di động MS. EIR được nối với MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm
tra sự được phép của thiết bị bằng cách so sánh các tham số nhận dạng thiết bị
di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity) của thuê bao


gửi tới khi thiết lập thông tin với số IMEI lưu giữ trong EIR phòng trường
hợp đây là những thiết bị đầu cuối bị đánh cắp, nếu so sánh không đúng thì
thiết bị không thể truy nhập vào mạng được.
11.4.6.

Cổng MSC (GMSC- gate mobile services

swithching center):
− Để thiết lập 1 cuộc goi từ ngoài vào hay từ trong ra của hệ

thông GSM trong nội vùng của MSC , trước hết cuộc gọi phải
được định tuyến đến 1 tổng đài cổng được gọi là GMSC mà
không cần biết thuê bao hiện thời đang ở đâu.
− Các tổng đài có nhiệm vụ lấy thông tin vị trí của thuê bao và
định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lí thuê bao ở thời
điểm hiện thời .
− Để được vậy, thì các tổng đài phải dựa trên số thoại danh bạ
của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết va hỏi HLR này

.Tổng đài cổng có 1 giao diện liên hệ với các mạng bên ngoài
thông qua giao diện này để làm nhiệm vụ kết nối với mạng
bên ngoài với GMS
− Ngoài ra tổng đài này cũng có giao diện báo hiệu số 7 (CCS
No7) để có thể kết nối giao tiếp với các thông tin khác hệ
:PTN ;PLMN;….Về phương diện kinh tế không phải bao giờ
tổng đài cũng đứng yên mà được kết nối MSC.
12.Trạm di động MS
12.1. Khái niệm
Trạm di động là thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn
thấy của hệ thống. MS có thể là thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị xách tay hay
cầm tay. Loại thiết bị nhỏ cầm tay sẽ là thiết bị trạm di động phổ biến nhất.
Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và sử lý giao diện vô tuyến,


MS còn phải cung cấp giao diện với người sử dụng (như mic, loa, màn hình,
bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số thiết bị khác như
giao diện với máy tính cá nhân, fax… Hiện nay người ta đang cố gắng sản
suất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động. Việc lựa chọn
các thiết bị đầu cuối hiện để mở cho các nhà sản suất. Ta có thể liệt kê ba
chức năng chính:
- Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên kết qua mạng
GSM.
- Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn
ở giao diện vô tuyến.
- Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối
với kết cuối di động. Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài
trạm di động tuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối – modem.
12.2. Cấu trúc của một máy di động
Máy di động gồm thiết bị di động ME (Mobile equipment) và modun

nhận dạng thuê bao SIM.
Modun nhận dạng thuê bao:
SIM là một modun tháo rút được để cắm vào mỗi khi thuê bao muốn sử
dụng MS và rút ra khi MS không có người hoặc lắp đặt ở MS khi ban đầu
đăng ký thuê bao. Có hai phương án được đưa ra:
− SIM dạng card IC.
− SIM dạng cắm.
SIM dạng card IC: Là một modun để có một giao tiếp với bên ngoài theo
các tiêu chuẩn ISO về các card IC. SIM có thể là một bộ phận của card đa
dịch vụ trong đó viễn thông di động GSM là một trong số các ứng dụng.