nghiên cứu cấu trúc mạng GPRS trên nền mạng thông tin di động GMS thế hệ thứ hai

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

kiện hiện tại.
Đề tài gồm các nội dung:
- Chơng I: Tổng quan hệ thống thông tin di động GSM.
- Chơng II: Các đặc điểm cấu trúc chức năng mạng GPRS.
- Chơng III: Các thủ tục trao đổi báo hiệu trong mạng GPRS.
- Chơng IV: Triển khai GPRS trên nền mạng GSM ở Việt Nam.
Qua thời gian học tập, nghiên cứu; đợc sự hớng dẫn tận tình của các thầy cô
giáo trờng Đại học Bách khoa Hà nội. Bản đồ án tốt nghiệp đến nay đã hoàn
thành. Do khả năng và thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để em
có thể vững vàng thêm kiến thức khi ra trờng.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn
thông, bạn bè đồng nghiệp, đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy
giáo TS. Phạm Văn Bình - bộ môn Mạch và xử lý tín hiệu, ngời đã tận tình chỉ
bảo hớng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2005
Sinh viên thực hiện

- 2 -
Đồ án tốt nghiệp
Chơng I: tổng quan hệ thống
thông tin di động gsm
I. Giới thiệu về mạng thông tin di động GSM
1- Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM)
GSM trớc đây đợc biết nh Groupe Spéciale Mobile (nhóm di động đặc biệt), là
nhóm đã phát triển nó, đợc thiết kế từ sự bắt đầu nh 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 đợc 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 nh 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
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.

- 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 tơng thích với ISDN.
- Cung cấp chi phí dịch vụ và đầu cuối thấp.
Vào năm 1989, việc phát triển các đặc tính kỹ thuật của GSM đã đợc chuyển
từ CEPT đến Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI). ETSI đợc 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.
- 4 -
Đồ án tốt nghiệp
ESTI đã ấn bản các đặc tính kỹ thuật giai đoạn 1 của GSM vào năm 1990.
Dịch vụ thơng mại đã bắt đầu vào giữa năm 1991. Đến năm 1993 đã có 36 mạng
GSM tại 22 nớc, và thêm 25 nớc đã lựa chọn hoặc bắt đầu GSM. Từ đó, GSM đã
đợc chấp nhận ở Nam Phi, úc, và rất nhiều nớc vùng Trung Đông và Viễn Đông.
Tại Bắc Mỹ, GSM đợc dùng để thực hiện PCS. Đến cuối năm 1998 đã có 323
mạng GSM ở 118 nớc phục vụ cho 138 triệu thuê bao. Hiện nay, hệ thống GSM
đợc gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobilephone).
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 đợc 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 đợc sử dụng trong cell đó. Nhóm tần số đợc 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 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

thời thuê bao có thể gọi đi bất cứ nơi nào mà không cần biết thuê bao khác đang ở
đâu.
- 6 -
Đồ án tốt nghiệp
Sử dụng băng tần 900 MHz với hiệu quả cao bởi sự kết hợp giữa hai phơng
pháp TDMA, FDMA.
Giải quyết sự hạn chế dung lợng. Thực chất dung lợng sẽ tăng lên nhờ việc
sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật chia ô nhỏ, do vậy số thuê bao đợc 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 ngời sử dụng hợp
pháp. SIM cho phép ngời sử dụng sử dụng nhiều dịch vụ và cho phép ngời
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 đờng vô tuyến và thay
đổi cho từng thuê bao.
3- Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động GSM:

2 5 M h z
2 0 0 K h z
2 5 M h z
2 0 0 K h z
8 9 0 M h z
9 1 5 M h z
9 3 5 M h z
9 6 0 M h z
B ă n g t ầ n l ê n

( 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

trên còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần DCS (Digital Cellular System).
4- Phơng pháp truy nhập trong thông tin di động
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 đợc 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 ngời dùng
khả dĩ. Phơng thức để sử dụng chung các kênh gọi là phơng pháp đa truy nhập:
ngời dùng khi có nhu cầu thì đợc 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. ngời dùng
đợc cấp phát một kênh trong tập hợp các kênh trong lĩnh vực tần số. Phổ
tần số đợc chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ.
Mỗi dải tần đợc gán cho một kênh liên lạc, N dải dành cho liên lạc hớng
lên, N dải còn lại cho liên lạc hớng xuống.
- 8 -
Đồ án tốt nghiệp
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 đợc ấn định.
Các thuê bao khác nhau dùng chung 1 kênh nhờ cài xen thời gian. Mỗi
thuê bao đợc cấp một khe trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe.
Đa truy nhập theo mã CDMA (Code Division Multiple Access): Là phơng
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 mặt băng tần nên tăng dung l-
ợng cho hệ thống. Hiện tại công nghệ CDMA đang đợc 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) đang sử dụng công nghệ này.
Ngoài ra còn có phơng pháp truy nhập theo không gian SDMA. Mạng GSM sử
dụng phơng pháp TDMA kết hợp FDMA.
II. Cấu trúc hệ thống thông tin di động GSM
1- Cấu trúc hệ thống

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:

- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Switching
Center)
- Bộ ghi định vị thờng 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).
- 10 -
Đồ án tốt nghiệp
Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm các khối chức năng:
- 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 bao gồm các khối chức năng:
- Trung tâm quản lý mạng NMC (Network Management Center)
- Trung tâm quản lý và bảo dỡng OMC (Operation & Maintenance
Center)
Trạm di động MS:
- Thiết bị di động ME (Mobile Equipment)
- Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module)
2- Chức năng các phần tử trong mạng GSM
2.1- Phân hệ chuyển mạch NSS
Phân hệ 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 và quản lý di động của
thuê bao. Chức năng chính của hệ thống chuyển mạch là quản lý thông tin giữa
những ngời 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 MSC

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

MNC: Mã mạng (Vinaphone: 02, Mobiphone: 01)
MSIN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số)
VD: 84.91.2037878 - 452.02.2037878
Nh vậy, với một số MSISDN sẽ tơng ứng với một số IMSI và chỉ tồn tại một số
IMSI duy nhất trong toàn hệ thống GSM. IMSI đợc 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 đợc lu trong card thuê bao.
Nh vậy, HLR không có khả năng chuyển mạch nhng 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 đợc 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, lu trữ tạm thời số liệu thuê bao
hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tơng ứng và lu 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.
- 13 -
Đồ án tốt nghiệp
Các thông tin cần để thiết lập và nhận một cuộc gọi của MS đợc lu 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 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

năng quản lý cho toàn bộ mạng.
- Giám sát các nút trong mạng
- Giám sát các trạng thái các bộ phận của mạng
- Giám sát trung tâm bảo dỡng 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 lợng, quản lý cấu hình và quản lý bảo mật.
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 ngời dùng (màn hình, loa, bàn phím...). Một
trạm di động gồm hai phần chính:
- 15 -
Đồ án tốt nghiệp
- ME (Mobile Equipment - thiết bị di động): là phần cứng đợc 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 modun nhận dạng thuê bao): gắn chặt
với ngời 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 đợc 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 và
phần mềm cần thiết với bộ nhớ có thể lu trữ thông tin. Có hai loại thông tin là
thông tin cố định và thông tin thay đổi:
+ Thông tin cố định:
* Số nhận dạng thuê bao MSISDN, IMSI. Thuê bao sẽ đợc kiểm tra tính hợp lệ
trớc khi truy nhập vào mạng thông qua số nhận dạng IMSI đợc thực hiện bởi
trung tâm nhận thực AuC.
* Mã khoá cá nhân Ki.

+ 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

R 2
N a t i o n a l
I S U P
T U P
M S
H ì n h 3 . 1 : C á c g i a o t h ứ c b á o h i ệ u t r o n g m ạ n g G S M
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 nh sau:
a. Gửi các thông tin của mạng và cell. Thông tin đợc cập nhật từ BSC, truyền
liên tục tới BTS và lu trong BTS.
b. Nhắn tin: đợc khởi tạo từ MSC cho phép BSC hoạt động thông qua
BSSMAP. BSC lần lợt cho phép các BST trong một vùng định vị hoạt động.
- 17 -
Đồ án tốt nghiệp
Các BTS gửi các cuộc gọi nhắn, kiểm tra tín hiệu trả lời và gửi thông báo
tới BSC. BTS cũng nhận các cuộc gọi từ MS và gửi tới BSC.
c. 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.
d. Cung cấp và giải phóng kênh lu lợng (TCH) để thiết lập, xoá và chuyển
giao. BSC thực hiện các chức năng này và BTS xử lý các khối kênh liên
quan.
e. Nhận định hoàn thành việc chuyển giao. BTS báo với BSC khi nó đã phát
hiện có tín hiệu của MS trên kênh lu lợng mới.
f. Điều khiển mã/giải mã. BTS thực hiện chức năng kích hoạt và giải phóng
việc mã hoá theo yêu cầu của BSC.
g. Điều khiển các mã thoại và thích ứng tốc độ của các kênh thông tin. Thiết
bị thích ứng tốc độ mã hoá - TRAU thờng đợc đặt trong BSC nhng đợc điều
khiển bởi BTS xác định các kênh lu lợng.
h. Kiểm tra chất lợng truyền dẫn và độ dài tín hiệu trong các kênh hớng lên

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 giao thức với các mạng ngoài
Sử dụng TUP, ISUP và các giao thức liên quan tới kênh.
2. Các giao diện trong hệ thống GSM
A bis: BSC BTS Um (vô tuyến): MS-BTS
- 19 -
Đồ án tốt nghiệp
A: BSC MSC E: MSC MSC
B: MSC VLR F: MSC EIR
C: MSC HLR G: VLR VLR
D: VLR HLR H: HLR AuC
3 - Các khía cạnh mạng
3.1 - Quản lý tài nguyên vô tuyến
Quản lý tài nguyên vô tuyến là một lớp chức năng trong quản lý mạng, đợc 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 đợc
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 đợc cung cấp cho MS hay phân kênh nhắn sẽ
đợc xử lý trong lớp RR. Hơn nữa, lớp RR cũng quản lý cả các đặc tính vô tuyến nh
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 đợc cấp phát lâu dài
cho một cuộc gọi. Cuộc gọi sẽ đợc chuyển sang một kênh hoặc một cell khác, đợc
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, đợc thực hiện giữa:
Các kênh (các khe thời gian) trong cùng một cell
Các cell (BTS) do một BSC điều khiển
- 20 -
Đồ án tốt nghiệp

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:

Đây là trờng hợp chuyển giao phức tạp nhất nhiều tín hiệu đợc trao đổi trớc
khi thực hiện chuyển giao.
Ta sẽ xét 2 MSC/VLR, gọi MSC/VLR cũ (tham gia cuộc gọi trớc 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 đờng nối giữa hai tổng đài cũ sẽ
gửi đi lệnh chuyển giao đến MS.
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 đợc thông báo có một cuộc gọi đến bởi một bản tin ngắn đợc gửi qua kênh
PAGCH của cell. Một phần của kênh đợc sử dụng để nhắn trong mỗi cell trong
mạng, một phần đợc dùng để MS truyền các bản tin cập nhật vị trí ở cấp độ cell
tới mạng. Do đó các bản tin nhắn đợc gửi chính xác tới một cell nhng sẽ rất lãng
phí băng thông do số lợng các bản tin cập nhật vị trí lớn. Một giải pháp đợc 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 đợc nhắn trong các
cell của vùng định vị.
- 22 -
Đồ án tốt nghiệp
Các thủ tục cập nhật và định tuyến cuộc gọi thực hiện trong MSC, VLR và
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 thờng, bản tin cập nhật
vị trí đợc gửi tới MSC/VLR mới mà lu các thông tin về vùng định vị, sau đó gửi
các thông tin này tới HLR của thuê bao. Thông tin đợc gửi tới HLR là địa chỉ SS7
của VLR mới, nó có thể là số định tuyến. Nếu thuê bao đợc 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 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

chuyển mạch kết nối với HLR lấy các thông tin định tuyến. Do đó nó có một
bảng các MSISDN tới HLR tơng ứng. Thông tin định tuyến đợc gửi lại GMSC là
số roaming di động (MSRN). Các MSRN liên quan tới kế hoạch đánh số vùng địa
lý, không đợc cung cấp cho thuê bao.
Thủ tục định tuyến thờng đợc sử dụng nhất bắt đầu với việc truy vấn HLR của
thuê bao bị gọi để lấy MSRN. HLR chỉ lu 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 đợc gửi lại HLR và GMSC, sau đó cuộc gọi
đợc định tuyến tới MSC mới. Tại MSC mới, IMSI tơng ứng MSRN đợc kiểm tra
và thiết bị di động đợc nhắn trong vùng định vị hiện tại đang có mặt.
IV. 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- Khái niệm về các kênh vô tuyến :
- 24 -
Đồ án tốt nghiệp
Mạng GSM/PLMN đợc dành 124 kênh sóng mang, sóng này ở dải tần:
- Đờng lên ( MS - BTS ) : 890 - 915 MHz .
- Đờng xuống ( BTS - MS ) : 935 - 960 MHz .
Băng tần đờng lên 890,2 914,8 MHz và đờng 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.
1.1- Kênh vật lý:
Kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải
thông tin ở đờng vô tuyến của GSM. Mỗi một kênh tần số vô tuyến đợc tổ chức
thành các khung TDMA dài 4,615 ms gồm có 8 khe thời gian (một khe dài 577
às). Tại BTS, các khung TDMA ở các kênh tần số ở cả đờng lên và đờng xuống
đều đợc đồng bộ, mỗi MS đợc cấp một khe thời gian có cùng số thứ tự ở hớng lên

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 -