CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1. Mô hình hệ thống thông tin di động GSM Mô hình hệ thống thông tin di động GSM Hình 1-1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM. Các ký hiệu : OSS : Phân hệ khai thác và hỗ trợ BTS : Trạm vô tuyến gốc AUC : Trung tâm nhận thực MS : Trạm di động HLR : Bộ ghi định vị thường trú ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ MSC : Tổng đài di động PSTN (Public Switched Telephone Network): BSS : Phân hệ trạm gốc Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng BSC : Bộ điều khiển trạm gốc PSPDN : Mạng chuyển mạch gói công cộng OMC : Trung tâm khai thác và bảo dưỡng CSPDN (Circuit Switched Public Data Network): SS : Phân hệ chuyển mạch Mạng số liệu chuyển mạch kênh công cộng VLR : Bộ ghi định vị tạm trú PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị GMSC : Gateway của MSC THIẾT KẾ MẠNG TRUYỀN DẪN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 10 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1. Các thành phần chức năng trong hệ thống Mạng thông tin di động công cộng mặt đất PLMN (Public Land Mobile Network) theo chuẩn GSM được chia thành 4 phân hệ chính sau: Trạm di động MS (Mobile Station) Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) Phân hệ chuyển mạch NSS (Netowrk Switching Subsystem) Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS (Operation and Support Subsystem) 1.
Trạm di động (MS – Mobile Station) Trạm di động (MS) bao gồm thiết bị trạm di động ME (Mobile Equipment) và một khối nhỏ gọi là module nhận dạng thuê bao (SIM – Subscriber Identity Module). Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card hoặc còn gọi là card thông minh, SIM cùng với thiết bị trạm (ME-Mobile Equipment) hợp thành trạm di động MS. SIM cung cấp khả năng di động cá nhân , vì thế người sử dụng có thể lắp SIM và 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 dang điện thoại di động IMEI (International Mobile Equipment Identity).
Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI (International Mobile 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). Trạm di động ở GSM thực hiện hai chức năng: Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường vô tuyến.
Đặng ký thuê bao, ở chức năng thứ hai này mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là SIM card. Trừ một số trường hợp đặc biệt như gọi cấp cứu… thuê bao chỉ có thể truy nhập vào hệ thống khi cắm thẻ này vào máy. Phân hệ trạm gốc (BSS – Base Station Subsystem) BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông qua giao diện vô tuyến. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch NSS.
Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối với những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác. BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận hành và bảo dưỡng OSS. Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm: TRAU (Transoding and Rate Adapter Unit): Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ. BSC (Base Station Controler): Bộ điều khiển trạm gốc.
BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc. Khối BTS (Base Tranceiver Station) Một BTS bao gồm các thiết bị thu/phát tín hiệu sóng vô tuyến, anten và bộ phận mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến. Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ song nhất định gọi là tế bào (cell).
THIẾT KẾ MẠNG TRUYỀN DẪN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 11 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1. Khối TRAU (Transcode/Rate Adaptor Unit) Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại chuẩn (64 kb/s) trước khi chuyển đến tổng đài. TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hóa và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể được đặt cách xa BTS và thậm chí còn đặt trong BSC và MSC.
Khối BSC (Base Station Controller) BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa. Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kệnh vô tuyến và chuyển giao. Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân hệ chuyển mạch NSS. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A.
Các chức năng chính của BSC: 1. Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell và các kênh logic của chúng. Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo đặc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường vô tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại… 2. Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: Trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình của BTS (số máy thu/phát) TRX, tần số cho mỗi trạm…).
Nhờ đó mà BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi. Điều khiển nối thông các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các đấu nối tới máy di động MS. Trong quá trình gọi, sự đấu nối được BSC giám sát. Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được ở máy di động và TRX gửi đến BSC.
Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và BTS để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối. BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết qua đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được chất lượng cuộc gọi tốt hơn. Trong trường hợp chuyển giao sang cell của một BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC. Bên cạnh đó, BSC cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênh của cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều.
Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin. Trong trường hợp có sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự phòng. Phân hệ chuyển mạch (NSS – Network Switching Subsystem) Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau: Trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động MSC Thanh ghi định vị thường trú HLR Thanh tâm định vị tạm trú VLR Trung tâm nhận thực AuC Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR THIẾT KẾ MẠNG TRUYỀN DẪN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 12 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM Phân hệ chuyển giao mạch (NSS) bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng 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 NSS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.
Trung tâm chuyển mạch di động MSC Tổng đài di động MSC (Mobile services Switching Center) thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC. MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đến những thuê bao của GSM, một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS và mặt khác giao tiếp với mạng ngoài qua tổng đài cổng GMSC (Gateway MSC). Chức năng chính của tổng đài MSC: Xử lý cuộc gọi (Call Processing) Điều khiển chuyển giao (Handover Control) Quản lý di động (Mobility Management) Tương tác mạng IWF (Interworking Function): qua GMSC Hình 1-2 Chức năng xử lý cuộc gọi của MSC. (1):Khi chủ gọi quay số thuê bao di động bị gọi, số mạng dịch vụ số liên kết của thuê bao di động, sẽ có hai 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 sẽ biết đây là cuộc gọi cho một thuê bao di động.
Cuộc gọi sẽ được định tuyến đến tổng đài cổng GMSC gần nhất.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 cuộc gọi từ MS thông qua BTS có chứa số thoại của thuê bao di động bị gọi. (2) MSC (hay GMSC) sẽ phân tích số MSISDN (The Mobile Station ISDN) của thuê bao bị gọi để tìm ra HLR nơi MS đăng ký. (3) MSC (hay GMSC) sẽ hỏi HLR thông tin để có thể định tuyến đến MSC/VLR quản lý MS. (4) HLR sẽ trả lời, khi đó MSC (hay GMSC) này có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC cần thiết.
Khi cuộc gọi đến MSC này, VLR sẽ biết chi tiết hơn về vị trí của MS. Như vậy, có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM, đó là chức năng xử lý cuộc gọi của MSC. THIẾT KẾ MẠNG TRUYỀN DẪN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 13 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng GSM với các mạng này. Các thích ứng này gọi là chức năng tương tác IWF (Inter Networking Function).
IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn. IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở. Bộ ghi định vị thường trú (HLR – Home Location Register) HLR là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao, các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông. HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao và chức các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao.
HLR bao gồm: Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN.