CHƯƠNG 1 - HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1. Hệ thống thông tin di động GSM GSM (Global System for Mobile Communications) là mạng thông tin di động toàn cầu. GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên ở Châu Âu và các tiêu chuẩn, đặc tính của GSM được công bố lần đầu tiên vào năm 1990. Vào 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.
Đến nay GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ [11]. GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động trên thế giới do khả năng phủ sóng rộng khắp nơi cho phép người sử dụng có thể sử dụng điện thoại di động của họ ở nhiều vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ hai (Second Generation, 2G).
Lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn dễ dàng. Tại Việt Nam, công nghệ GSM đã vào Việt Nam từ năm 1993 qua việc cung cấp hệ thống đầu tiên ở miền Bắc. Hiện nay, ba mạng GSM của Việt Nam là Mobifone, VinaPhone, và Viettel đã có tổng cộng trên 11 triệu thuê bao, chiếm khoảng trên 90% số người dùng điện thoại di động tại Việt Nam [12]. Với công nghệ SIM thuận tiện và roaming với hầu hết các quốc gia, đáp ứng những nhu cầu căn bản hiện tại của khách hàng như thoại, nhắn tin, truyền số liệu tốc độ thấp, GSM được dự đoán sẽ còn tiếp tục thống trị thị trường thoại di động toàn cầu trong thời gian tương đối dài nữa.
Các đặc điểm của hệ thống thông tin di động GSM GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào (cellular) do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất. 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 trạm vô tuyến gốc BTS (Base Transceiver Station) liên lạc với tất cả các máy 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.
Thông thường, một cuộc gọi di động không thể kết thúc trong một cell nên hệ thống thông tin di động tế bào phải có khả năng điều khiển và chuyển giao cuộc gọi từ cell này sang cell lân cận mà cuộc gọi được chuyển giao không bị gián đoạn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 Các đặc điểm chủ yếu của hệ thống GSM như sau: +) Có thể phục vụ được một số lượng lớn các dịch vụ và tiện ích cho thuê bao cả trong thông tin thoại và truyền số liệu. Đối với thông tin 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. Đối với dịch vụ số liệu có thể có các dịch vụ: - Truyền số liệu - Dịch vụ nhắn tin: +) Sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng sẵn có: - PSTN (Public 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. Sự tương thích này cho phép các thuê bao lưu động (Roaming) ở các nước với nhau cùng sử dụng hệ thống GSM một các hoàn toàn tự động. Nghĩa là chủ thuê bao có thể mang máy 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 [13]. +) Chủ yếu sử dụng băng tần 900MHz với hiệu quả cao bởi sự kết hợp giữa 2 phương pháp: TDMA, FDMA.
+) Giải quyết sự hạn chế về dung lượng: thực chất dung lượng sẽ tăng lên nhờ kỹ thuật sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật chia ô nhỏ do vậy số thuê bao 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 đặt trên ô tô,. +) Tính bảo mật: mạng kiểm tra sự hợp lệ của mỗi thuê bao GSM bởi thẻ đăng kí SIM (Subscriber 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 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 (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 [13]. Cấu trúc và chức năng của các thành phần trong hệ thống thông tin di động GSM 1. Cấu trúc hệ thống Một mạng GSM để cung cấp đầy đủ các dịch vụ cho khách hàng cho nên nó khá phức tạp vì vậy chia theo phân hệ thì mạng thông tin GSM có thể chia ra thành các phần như sau [11]: Phân hệ chuyển mạch NSS: Network switching SubSystem.
Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem. Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystem. Phần mạng GPRS (General Packet Radio Service): Phần này cung cấp dịch vụ truy cập internet. Một số thành phần khác phục vụ việc cung cấp các dịch vụ cho mạng GSM như gọi, hay nhắn tin SMS… Mô hình hệ thống thông tin di động được mô tả bằng hình vẽ sau: Hình 1: Mô hình hệ thống thông tin di động GSM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 16 +) 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).
- PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng. - Bộ định vị thường trú HLR (Home Location Register). - Bộ 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 lí mạng NMC (Network Management Center). - Trung tâm quản lí và bảo dưỡng OMC (Operation & Maintenance Center. +) Trạm di động MS (Mobile Station): bao gồm: - Thiết bị di động ME (Mobile Equipment). - Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module).
+) GPRS Core Network (General Packet Radio Service) 1. Chức năng các thành phần 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 lí di động của thuê bao. Chức năng chính của hệ thống chuyển mạch là quản lí thông tin giữa người sử dụng mạng GSM và các mạng khác.
Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 17 MSC là một tổng đài thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch và báo hiệu của MS nằm trong vùng địa lí do MSC quản lí. MSC khác với một tổng đài cố định là nó phải điều phối cũng cấp các tài nguyên vô tuyến cho các thuê bao và MSC phải thực hiện thêm ít nhất 2 thủ tục: - Thủ tục đăng kí. - 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 gọi là MSC cổng (GMSC), có chức năng tương tác IWF (Inter Working Function) để thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM 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 số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM [11]. MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lí 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 lí thuê bao.
Một PLMN có thể có một hoặc nhiều HLR tùy thuộc vào lượng thuê bao. HLR lưu hai loại số gán cho thuê bao di động đó là: - MSISDN: số thuê bao MSISDN có cấu trúc: MSISDN = CC+ NDC + SN. CC: mã quốc gia (Việt Nam: 84). SN: số thuê bao trong mạng (phổ biến là 7 số).
- IMSI: số nhận dạng thuê bao dùng để báo hiệu trong mạng IMSI có cấu trúc: IMSI = MCC + MNC + MSIN. MCC: mã quốc gia (Việt Nam: 452). MSIN: số thuê bao trong mạng (thường 7 số).2219281 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 18 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. - Giới hạn dịch vụ (dịch vụ Roaming). - Các dịch vụ hỗ trợ. HLR chứa các thông số của dịch vụ này; tuy nhiên nó còn có thể được lưu trữ trong card thuê bao.
Vậy HLR không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lí hàng ngàn thuê bao. Khi mạng có thêm một thuê bao mới thì các thông tin về thuê bao sẽ được đăng kí trong HLR. Trung tâm nhận thực AuC AuC kết nối với HLR, cung cấp các thông số hợp thức hóa và các khóa 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 đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và lưu trữ số liệu về vị trí thuê bao.
Khi MS vào một vùng định vị mới, nó phải thực hiện thủ tục đăng kí. MSC quản lí vùng này sẽ tiếp nhận đăng kí của MS và truyền số nhận dạng vùng định vị LAI, nơi có mặt thuê bao với VLR.