Cấu trúc của hệ thống thông tin di động thế hệ 2

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 2 Trong Chương 1đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin di động; Chương 2 sẽ tìm hiểu về cấu trúc của một hệ thống thông tin di động thế hệ 2. Chương 2 sẽ bao gồm các nội dung sau: trước tiên là mô hình của hệ thống, sẽ tìm hiểu cụ thể về các phần tử chức năng trong mô hình của hệ thống thông tin di động thế hệ 2. Tiếp đó, trong phần “giao diện vô tuyến” sẽ trình bày về các kênh vật lý và các kênh logic cũng như hoạt động của chúng. Phần cuối cùng của chương sẽ tìm hiểu về các mã nhận dạng được sử dụng trong hệ thống thông tin di động. Mô hình hệ thống Mô hình hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được trình bày như trong Hình 2-1. BSC BTS Radio Interface MS MS TRAU MSC/VLR HLR/AUC PSTN ISDN OMC another MSC Nguồn: “Um Interface and Radio Channels”, Huawei Technologies Co., LTD, slides 2-43. Hình 2-1. Mô hình tổng quát của GSM. Các khối chức năng trong Hình 2-1 được giải thích như sau: MS: Moblie Station: Thuê bao di động. BTS: Base Tranceiver Station: Trạm thu phát gốc. BSC: Base Station Controller: Bộ điều khiển trạm gốc. TRAU: Transcode/Rate Adapter Unit: Khối chuyển đổi mã và tốc độ. MSC: Mobile Services Switching Center: Trung tâm chuyển mạch di động. VLR: Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trú. HLR: Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú. AUC: Authentication Center: Trung tâm nhận thực. OMC: Operation and Maintenance Center: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng. ISDN: Integrated Services Digital Network: Mạng số đa dịch vụ tích hợp. PSTN: Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Các phần tử chức năng của hệ thống Các phân hệ của hệ thống được trình bày trong như Hình 2-2. Switching Subsystem-SS Phân hệ chuyển mạch Base Station Subsystem-BSS Phân hệ trạm gốc Mobile Station - MS Trạm di động ME SIM BTS BSC MSC/VLR GMSC HLR AUC ẺỈR OSS Phân hệ khai thác và hỗ trợ (Operation and Support Subsystem) Nguồn: Hoàng Anh Dũng, “Tối ưu hóa và quy hoạch mạng GSM”, đồ án tốt nghiệp, ĐH BK Hà Nội. Hình 2-2. Các phân hệ của hệ thống thông tin di động thế hệ 2. Mạng thông tin di động 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 SS (Switching Subsystem), và phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS (Operation and Support Subsystem). Trạm di động MS (Mobile Station) Trạm di động có thể là thiết bị đặt trong ô tô, thiết bị xách tay hoặc cầm tay. Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến, MS còn phải cung cấp các giao diện với người sử dụng như micro, loa, màn hình hiển thị, bàn phím hoặc giao diện với một số thiết bị khác, [2]. MS bao gồm thiết bị di động ME (Mobile Equipment) và một khối nhỏ gọi là modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module). Thiết bị di động ME (Mobile Equipment) Về mặt cấu trúc, một ME được chia thành 3 khối chức năng: thiết bị đầu cuối, kết cuối di động, và thiết bị thích ứng. Cụ thể về các khối như sau: Thiết bị đầu cuối TE (Terminal Equipment) được dùng để cung cấp dịch vụ cụ thể cho thuê bao, và TE không thực hiện bất cứ chức năng nào của hệ thống GSM. Kết cuối di động MT (Mobile Termination) làm nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. Thiết bị thích ứng (Terminal Adapter) được sử dụng để tạo ra sự tương thích giữa thiết bị đầu cuối TE và kết cuối di động MT. Để có thể tìm thấy các thiết bị đã bị đánh cắp, mỗi ME được gán một số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity), đây là số nhận dạng thiết bị di dộng quốc tế do nhà sản xuất cung cấp cho mỗi thiết bị di động. Số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI gồm 15 chữ số, được chia thành các phần như: mã hiệu chuẩn, mã sản xuất và số seri. Mã hiệu chuẩn TAC (Type Approval Code): gồm 6 chữ số, quy định chủng loại của thiết bị theo tiêu chuẩn của GSM, Mã sản xuất FAC (Final Assembly Code): gồm 2 chữ số, cho biết thiết bị được lắp ráp hay sản xuất ở đâu, và Số seri SNR (Serial Number): gồm 6 chữ số, là số hiệu của thiết bị. Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module) SIM là một modul có thể tháo, lắp, được sử dụng để cắm vào ME khi thuê bao muốn sử dụng và tháo ra khi không sử dụng nữa. Khi không có SIM thì MS chỉ đơn thuần là một thiết bị đầu cuối; SIM được cấp cho thuê bao để xác định thiết bị thuộc sở hữu của một cá nhân nào đó. SIM phải có một bộ nhớ để lưu trữ các thông tin của thuê bao như: số nhận dạng thuê bao quốc tế, số nhận dạng thuê bao tạm thời, khóa nhận thực, và số điện thoại của thuê bao. Số nhận dạng thuê bao quốc tế IMSI (International Mobile Subscriber Identity): được dùng để phân biệt các thuê bao khác nhau trong mạng GSM. IMSI là thông tin nhận dạng duy nhất cho một thuê bao và nó có độ dài lớn nhất là 15 chữ số : IMSI = MCC + MNC + MSIN Trong đó: MCC (Mobile Country Code) gồm có 3 chữ số, xác định quốc gia mà thuê bao đăng ký, MNC (Mobile Network Code) gồm có 1-2 chữ số, xác định mạng di động mà thuê bao đăng ký, và MSIN (Mobile Subcriber Identification Number): lớn nhất có 11 chữ số, mỗi giá trị MSIN sẽ xác định một thuê bao trong mạng di động, [13]. Số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity): do hệ thống quản lý, để bảo vệ thuê bao không bị đánh cắp. Vì TMSI chỉ có ý nghĩa nội hạt (nghĩa là trong vùng của MSC/VLR) nên cấu trúc của nó được lựa chọn bởi từng nhà quản lý. Khoá nhận thực (Subscriber Authentication Key): dùng để nhận thực SIM. Số điện thoại của thuê bao MSISDN (Mobile Station International Services Digital Network): MSISDN = CC + NDC + SN Trong đó: CC (Country Code): là mã quốc gia, dùng để nhận dạng nước, NDC (National Destination Code): mã vùng để xác định vùng trong nước, và SN (Subscriber Number) : số thuê bao, dùng để nhận dạng thuê bao. Ngoài các thông tin bắt buộc phải có trên, trong SIM còn có các thông tin khác như: các mẫu tin nhắn, danh sách các số điện thoại viết tắt, những số điện thoại thuê bao vừa mới gọi hay các thông tin tính cước. SIM được bảo vệ bằng một số nhận dạng cá nhân PIN (Persional Identity Number), gồm 4 đến 8 chữ số do thuê bao tùy chọn. Người sử dụng có thể thay đổi PIN cũng như độ dài của nó một cách tùy ý, hoặc cũng có thể quyết định sử dụng PIN hay không, [9]. Một SIM có thể được sử dụng cho nhiều loại thiết bị đầu cuối khác nhau, do đó, rất thuận lợi cho người sử dụng. Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) Phân hệ trạm gốc BSS tạo ra vùng phủ sóng vô tuyến phục vụ các thuê bao GSM trong một vùng địa lý xác định. Vai trò chủ yếu của BSS là cung cấp và hỗ trợ các kênh báo hiệu và lưu lượng giữa các Trạm di động MS và Phân hệ chuyển mạch SS (Switching SubSystem). BSS cũng phải được điều khiển, do đó, nó được đấu nối với Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OSS (Operation & Support Subsystem). Để đảm bảo các dịch vụ luôn sẵn sàng tới thuê bao, BSS đưa ra bốn chức năng sau: thiết lập cuộc gọi, xử lý cuộc gọi, giải phóng cuộc gọi và vận hành, khai thác và bảo dưỡng. Chức năng thiết lập cuộc gọi Chức năng thiết lập cuộc gọi của BSS được sử dụng cho các cuộc gọi thoại và dữ liệu. Chức năng này thực hiện ba nhiệm vụ chủ yếu sau: [14] Quản lý việc di chuyển, ví dụ như cập nhật vị trí được hệ thống sử dụng để thu thập thông tin về MS, [14]. Quản lý dịch vụ bổ sung, ví dụ như dịch vụ tin nhắn SMS, cho phép MS gửi/nhận các bản tin đến/từ BTS, [14]. Quản lý lưu lượng người dùng, ví dụ như các cuộc gọi thoại hoặc dữ liệu đến đối tác tương ứng, có thể chuyển giao một lượng lớn thông tin. Các cuộc gọi này sử dụng các kênh lưu lượng, [14]. Chức năng xử lý cuộc gọi Chức năng xử lý cuộc gọi được sử dụng để giám sát và duy trì các cuộc gọi đang tiếp diễn. Xử lý cuộc gọi bao gồm việc sửa đổi kênh đang sử dụng trong cuộc gọi, duy trì chất lượng của cuộc gọi thông qua các kỹ thuật như nhảy tần, thu phát ngắt quãng, điều khiển công suất, chuyển giao để thay đổi các kênh khi MS di chuyển từ một cell này sang một cell khác; chuyển giao khi chất lượng của kênh hiện tại xuống dưới một mức không thể chấp nhận được; và xử lý quá tải để quản lý lưu lượng cuộc gọi trên hệ thống, [14]. Chức năng giải phóng cuộc gọi Chức năng giải phóng cuộc gọi đảm bảo rằng các tài nguyên đã được cấp phát cho một cuộc gọi được giải phóng để tái sử dụng cho các cuộc gọi khác khi chúng không được sử dụng nữa. Cụ thể, chức năng giải phóng cuộc gọi bao gồm: Giải phóng cuộc gọi trong dịch vụ thông thường, đó là các cuộc gọi được kết thúc bởi thủ tục quản lý cuộc gọi hay các cuộc gọi được kết thúc do sự thay đổi kênh. Giải phóng cuộc gọi trong một số trường hợp đặc biệt như giải phóng cuộc gọi do sự khởi tạo lại, do yêu cầu của BSC, do yêu cầu của BTS, hay do yêu cầu của MS, [14]. Chức năng vận hành, khai thác và bảo dưỡng Chức năng vận hành, khai thác và bảo dưỡng cung cấp giao diện cho khai thác viên để quản lý và điều khiển BSS cũng như kết nối của nó đến Phân hệ chuyển mạch SS. Chức năng này được chia thành 3 phần cơ bản là: quản lý cấu hình, quản lý lỗi, và quản lý sự vận hành, [14]. Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm các phần tử: trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station), bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ TRAU (Transcoding and Rate Adapter Unit), và bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controler), [2]. Mô hình phân hệ trạm gốc được thể hiện như trong Hình 2-3. BSC BSS BTS BTS BTS RADIO INTERFACE OMC Nguồn: Mai Quốc Anh, “Giải pháp kỹ thuật trong bước tiến triển từ GSM sang hệ thống thông tin di động thế hệ 3 thông qua GPRS”, đồ án tốt nghiệp, KTVT K41- ĐH GTVT2 Hình 2-3. Phân hệ trạm gốc BSS. Trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station) Một BTS bao gồm các thiết bị thu/phát tín hiệu sóng vô tuyến, 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, [2]. BTS có nhiệm vụ mã hoá và giải mã đối với những kết nối chuyển mạch kênh, đo kiểm và tối ưu công suất phát giữa đường lên và đường xuống, [15]. Khối chuyển đổi mã và tốc độ TRAU (Transcode/Rate Adapter Unit) Khối chuyển đổi mã và tốc độ 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 hoá 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, [16]. Vị trí của TRAU được trình bày như trong Hình 2-4. BTS BTS BTS TRAU BSC BSC BSC MSC/VLR MSC/VLR MSC/VLR TRAU TRAU Nguồn: Mai Quốc Anh, “Giải pháp kỹ thuật trong bước tiến triển từ GSM sang hệ thống thông tin di động thế hệ 3 thông qua GPRS”, đồ án tốt nghiệp, KTVT K41- ĐH GTVT2 Hình 2-4. Các vị trí của TRAU trong hệ thống. Bộ điều khiển trạm gốc 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 kênh vô tuyến và chuyển giao. Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của Phân hệ chuyển mạch SS. BSC thực hiện chức năng quản lý vô tuyến, quản lý trạm vô tuyến BTS, điều khiển nối thông các cuộc gọi và quản lý mạng truyền dẫn. Quản lý 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 đạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, số lượng cuộc gọi bị mất, số lần chuyển giao thành công và thất bại. Quản lý trạm vô tuyến BTS: trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình của BTS như số lượng máy thu/phát, 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 ở máy di động và trạm thu phát được gửi đến BSC. Dựa vào đó, BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và trạm thu phát để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối. BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả đo để quyết định chuyển giao MS 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 cell khác trong trường hợp cell bị nghẽn. 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 một tuyến nào đó gặp sự cố, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự phòng, [16]. Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem) Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau: Trung tâm chuyển mạch di động MSC, Thanh ghi định vị thường trú HLR, Thanh ghi định vị tạm trú VLR, Trung tâm nhận thực AUC, và Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR. Phân hệ chuyển mạch SS 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 SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác, [16]. Trung tâm chuyển mạch di động MSC (Mobile Services Switching Center) MSC thực hiện chức năng chuyển mạch chính trong mạng thông tin di động. MSC có nhiệm vụ điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng thông tin di động. MSC làm nhiệm vụ giao diện 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. MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số BSC, [16]. MSC thực hiện các chức năng như: xử lý cuộc gọi, vận hành và bảo dưỡng hay tính cước, [15]. Để kết nối với các mạng khác, cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng thông tin di động với các mạng này, các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác IWF (InterWorking Function). IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn, có thể được thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể là thiết bị riêng, nó cho phép kết nối với mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network) hay mạng số đa dịch vụ tích hợp ISDN (Integrated Services Digital Network), [16]. Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết, cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài vô tuyến cổng G-MSC (Gateway Mobile Service Switching Center) mà không cần biết vị trí hiện thời của thuê bao. GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện tại. Muốn vậy, trước hết, các tổng đài phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết. Nếu cuộc gọi là quảng bá thì nó sẽ được định tuyến trực tiếp tới MSC kết nối với dịch vụ phát quảng bá thoại, [15]. Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register) HLR là cơ sở dữ liệu lưu giữ các thông tin về thuê bao một cách lâu dài, các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông. HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của MS, và HLR chứa các thông tin về vị trí hiện thời của MS. HLR bao gồm: số nhận dạng thuê bao IMSI, các thông tin về thuê bao, danh sách các dịch vụ mà thuê bao được sử dụng và bị hạn chế, và số hiệu VLR đang phục vụ thuê bao, [15]. Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register) VLR là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụ của MSC. Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC. Ngay cả khi MS di chuyển vào vùng của MSC mới thì VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS từ HLR. Đồng thời, HLR sẽ được thông báo rằng MS đang ở vùng MSC nào. Nếu sau đó, MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR, có thể coi VLR như một HLR phân bố. VLR chứa thông tin về vị trí MS ở vùng MSC chính xác hơn. Nhưng khi thuê bao tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới nó cũng hết giá trị. Hay nói cách khác, VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu trữ tạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR. VLR bao gồm: các số nhận dạng như sô nhận dạng thuê bao quốc tế IMSI, số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI; số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS; danh sách các dịch vụ mà MS được và bị hạn chế sử dụng và trạng thái của MS, [16]. Trung tâm nhận thực AUC (Authentication Center) AUC được nối đến HLR, chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật. Đường vô tuyến cũng được AUC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao. Cơ sở dữ liệu của AUC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác khi thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép, [16]. 2.2.3.5. Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register) EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số nhận dạng di động quốc tế IMEI và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị. Một ME sẽ có số IMEI thuộc một trong ba danh sách sau: Nếu ME thuộc danh sách trắng thì nó được quyền truy nhập và sử dụng các dịch vụ đã đăng ký, Nếu ME thuộc danh sách xám, tức là có nghi vấn và cần kiểm tra. Danh sách xám bao gồm những ME có lỗi (lỗi phần mềm hay lỗi sản xuất thiết bị) nhưng không nghiêm trọng tới mức loại trừ khỏi hệ thống, và Nếu ME thuộc danh sách đen, tức là bị cấm không cho truy nhập vào hệ thống (đối với những ME đã thông báo mất máy), [16]. Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS (Operation and Support Subsystem) OSS thực hiện 3 chức năng chính: khai thác và bảo dưỡng mạng, quản lý thuê bao và quản lý thiết bị di động. 2.2.4.1. Khai thác và bảo dưỡng mạng Khai thác là hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi trạng thái của mạng như tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai cell. Nhờ vậy, nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời nâng cấp. Khai thác còn bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, tăng lưu lượng trong tương lai và mở rộng vùng phủ sóng. Ở hệ thống viễn thông hiện đại, khai thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm. Chức năng bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị, sửa chữa các sự cố và hỏng hóc, nó có một số quan hệ với khai thác. Các thiết bị ở hệ thống viễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện một số các sự cố hay dự báo sự cố thông qua kiểm tra. Bảo dưỡng bao gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế các thiết bị có sự cố cũng như việc sử dụng các phần mềm điều khiển từ xa. Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý của mạng quản lý viễn thông TMN (Telecommunication Management Network). Lúc này, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạng viễn thông như MSC, HLR, VLR, BSC, và các phần tử mạng khác trừ BTS, mặt khác, hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối tới máy tính chủ. Hệ thống này được gọi là trung tâm vận hành và bảo dưỡng OMC (Operation and Maintenance Center), [16]. 2.2.4.2. Quản lý thuê bao Bao gồm các hoạt động quản lý việc đăng ký thuê bao như việc nhập và xoá thuê bao khỏi mạng. Đăng ký thuê bao bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung. Một nhiệm vụ khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi rồi gửi đến thuê bao, khi đó, HLR, SIM đóng vai trò như một bộ phận quản lý thuê bao, [16]. 2.2.4.3. Quản lý thiết bị di động Quản lý thiết bị di động được bộ phận đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện, EIR lưu trữ toàn bộ dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị, [16]. Giao diện vô tuyến Trong hệ thống thông tin di động, các thuê bao di động được kết nối với mạng thông qua kênh vô tuyến; từ đó, các thuê bao có thể truy nhập vào hệ thống và sử dụng các dịch vụ. Để đạt được sự giao tiếp giữa các thuê bao di động với trạm BTS, cần đặt ra các chuẩn nhất định cho kênh vô tuyến, các tiêu chuẩn này là tập hợp các thông số kỹ thuật có liên quan đến truyền dẫn tín hiệu vô tuyến, [11]. Cấu trúc các lớp trong giao diện vô tuyến được trình bày như trong Hình 2-5. Lớp đầu tiên là lớp vật lý, được đánh dấu là L1 và là lớp thấp nhất. Lớp này cung cấp kết nối vô tuyến cần thiết trong việc truyền tải các dòng bit. Nó xác định khả năng truy nhập vô tuyến của hệ thống GSM và cung cấp các kênh vô tuyến cơ bản nhất cho việc truyền tải thông tin của lớp cao hơn, bao gồm cả các kênh lưu lượng và kênh điều khiển, [11]. Lớp thứ hai là lớp liên kết dữ liệu. Lớp này bao gồm các loại cấu trúc truyền dữ liệu. Nó điều khiển việc truyền dữ liệu để đảm bảo dữ liệu đáng tin cậy được thiết lập giữa các trạm di động và trạm gốc, [11]. Radio resources management (RR) Comunication Management (CM) Mobility and security management (MM) Integrated management RACH BCCH AGCH/PCH SDCCH SACCH TCH FACCH TCH0 TCH1 TCH2 。。SACCH 。。TCH23 Network application layer (L3) Data link layer (L2) Physical link layer (L1) Nguồn: “Um Interface and Radio Channels”, Huawei Technologies Co., LTD, slides 2-43. Hình 2-5. Cấu trúc các lớp trong giao diện vô tuyến. Lớp thứ ba là lớp ứng dụng. Nó bao gồm các loại tin nhắn, chương trình kiểm soát và quản lý các dịch vụ. Lớp thứ 3 bao gồm ba lớp con: lớp quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến RR (Radio Resources management), lớp quản lý tính di động MM (Mobility Management) và lớp quản lý giao tiếp CM (Communication Management). Các CM bao gồm ba dịch vụ chính: dịch vụ kiểm soát cuộc gọi CC (Call Control Service), dịch vụ bổ sung SS (Supplementary Service) và dịch vụ tin nhắn ngắn SMS (Short Message Service), [11]. Kênh vật lý Các kênh vật lý là các khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến của mạng GSM. Phân bố tần số ở GSM 900 được quy định nằm trong dải tần 890-960 MHz với bố trí các kênh tần số như sau: Ful (n) = 890,0 MHz + (0,2 MHz) * n Với 0 £ n £ 124 Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz Trong đó : Ful là tần số ở bán băng tần thấp dành cho đường lên (từ MS đến BTS). Fdl là tần số ở bán băng tần cao dành cho đường xuống (từ BTS đến MS), [2]. Vậy GSM 900 có từ 1 ÷ 124 kênh tần số, được gọi là các kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). Kênh 0 là dải phòng vệ. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA có 8 khe thời gian. Như vậy, số kênh vật lý ở GSM 900 là sẽ 992 kênh. Dải thông tần của một kênh vật lý là 200KHz. Dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng 200KHz, [16]. Kênh logic Các kênh logic được phân loại như trong Hình 2-6. Data CH Voice CH TCH BCH BCCH FCCH SCH CCCH AGCH RACH PCH DCCH SDCCH FACCH SACCH CCH Channel Nguồn: “Um Interface and Radio Channels”, Huawei Technologies Co., LTD, slides 2-43. Hình 2-6. Phân loại kênh logic. Kênh logic được tổ chức theo quan điểm nội dung tin tức, các kênh này được đặt vào các kênh vật lý. Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS, [16]. Có thể chia kênh logic thành hai loại: các kênh lưu lượng TCH (Traffic Channel) và các kênh điều khiển CCH (Control Channel). Kênh lưu lượng TCH (Traffic Channel) Kênh lưu lượng được chia làm hai loại là kênh lưu lượng toàn tốc và kênh lưu lượng bán tốc. Kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/F) mang thông tin thoại hay số liệu ở tốc độ 22.8Kbit/s. Kênh lưu lượng bán tốc (TCH/H) mang thông tin thoại hay số liệu ở tốc độ 11.4Kbit/s. Thông tin thoại truyền qua giao diện vô tuyến được nén ở tốc độ 13Kbit/s đối với truyền dẫn toàn tốc và 6.5Kbit/s đối với truyền dẫn bán tốc. Thông tin 13Kbit/s hoặc 6.5Kbit/s này được cộng với các bit sửa lỗi để tạo thành các kênh toàn tốc 22.8Kbit/s hoặc bán tốc 11.4Kbit/s tương ứng. Đối với truyền dẫn bán tốc thì số lượng kênh lưu lượng có thể sử dụng tăng gấp đôi bởi vì một kênh vật lý có thể phục vụ đồng thời hai kết nối. Kênh điều khiển CCH (Control Channel) Kênh điều khiển được sử dụng để truyền thông tin điều khiển và báo hiệu. Kênh điều khiển gồm có: kênh quảng bá BCH (Broadcast Channel), kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Channel), và kênh điều khiển riêng DCCH (Dedicate Control Channel). Kênh quảng bá BCH (Broadcast Chanel) Là các kênh điều khiển đường xuống, mang thông tin xác định về cell cho việc đồng bộ, sửa lỗi. Kênh quảng bá BCH bao gồm: kênh hiệu chỉnh tần số, kênh đồng bộ và kênh điều khiển quảng bá. Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Chanel): mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho MS. Kênh đồng bộ SCH (Synchronous Chanel): mang thông tin để đồng bộ khung cho MS. Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broadcast Control Chanel): phát quảng bá các thông tin chung về cell. Kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Channel) CCCH là kênh thiết lập sự truyền thông giữa BTS và MS. Nó bao gồm: kênh truy nhập ngẫu nhiên, kênh tìm gọi và kênh cho phép truy nhập. Kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel), là kênh hướng lên để MS yêu cầu kênh dành riêng, yêu cầu này thể hiện trong bản tin đầu tiên của MS gửi đến BTS trong quá trình thực hiện cuộc gọi. Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel) được sử dụng cho đường xuống để tìm trạm di động. Kênh cho phép truy nhập AGCH (Access Grant Channel): là kênh hướng xuống, mang tin phúc đáp của BTS đối với bản tin yêu cầu kênh của MS. Kênh điều khiển riêng DCCH (Dedicate Control Channel) DCCH là kênh dùng cả ở hướng lên và hướng xuống, dùng để trao đổi bản tin báo hiệu, cập nhật vị trí, đăng ký, thiết lập cuộc gọi, phục vụ cho việc bảo dưỡng kênh. DCCH gồm có: kênh điều khiển dành riêng đứng một mình, kênh điều khiển liên kết chậm, và kênh điều khiển liên kết nhanh. Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH (Stand alone Dedicate Control Channel): chỉ được sử dụng dành riêng cho việc báo hiệu với MS. SDCCH được sử dụng cho các thủ tục nhập mạng và trong quá trình thiết lập cuộc gọi trước khi ấn định kênh TCH. Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Associated Control Chanel): Kênh này liên kết với một kênh SDCCH hoặc TCH. Đây là kênh mang các thông tin liên tục như: các bản báo cáo đo lường, điều khiển công suất. Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (Fast Associated Control Chanel): liên kết với một kênh TCH, được dùng cho việc chuyển giao cell. [4], [11], [16-17]. Các mã nhận dạng sử dụng trong hệ thống thông tin di động Trong GSM, mỗi phần tử mạng cũng như mỗi vùng phục vụ đều được địa chỉ hóa bằng một số gọi là mã. Trên phạm vi toàn cầu, hệ thống mã này là duy nhất cho mỗi đối tượng và được lưu trữ trong tất cả các phần tử mạng. Hệ thống thông tin di động sử dụng các mã nhận dạng sau: Kế hoạch đánh số Toàn bộ mạng GSM được chia thành các vùng và có thể gọi đến bất kỳ thuê bao trong mỗi vùng bằng cách quay số thuê bao SN (Subscriber Number). Tất cả các thuê bao thuộc một mạng di động GSM được đăng ký ở HLR. Một mạng có thể có nhiều HLR, như vậy, trước hết, các vùng kế hoạch đánh số được phân chia theo HLR. Mã xác định khu vực LAI ( Location Area Identity) LAI là mã quốc tế cho các khu vực, được lưu trữ trong VLR. Khi một thuê bao có mặt tại một vùng phủ sóng nào đó, nó sẽ nhận CGI từ BSS, so sánh LAI nhận được trước đó để xác định xem nó đang ở đâu. Khi hai số liệu này khác nhau, MS sẽ cập nhật LAI mới. Cấu trúc của một LAI như sau: MCC MNC LAC Trong đó: MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia của nước có mạng GSM. MNC (Mobile Network Code): mã của mạng GSM, do quốc gia có mạng GSM qui định. LAC (Location Area Code): mã khu vực, dùng để nhận dạng khu vực trong mạng GSM. Các mã số đa dịch vụ toàn cầu (International Integrated Services Digital Network Numbers) Các phần tử của mạng GSM như MSC, VLR, HLR/AUC, EIR, BSC đều có một mã số đa dịch vụ toàn cầu tương ứng. Riêng HLR/AUC còn có một mã khác, gồm hai thành phần: một phần liên quan đến số thuê bao đa dịch vụ toàn cầu được sử dụng trong việc thiết lập cuộc gọi từ một mạng khác đến MS trong mạng; phần khác liên quan đến mã nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI (International Mobile Subscriber Identity) được lưu giữ trong trung tâm nhận thực AUC. Mã nhận dạng tế bào toàn cầu CGI (Cell Global Identity) CGI được sử dụng để các MSC và BSC truy nhập vào các cell. CGI = LAI + CI. CI (Cell Identity) gồm 16 bit dùng để nhận dạng cell trong phạm vi của LAI. CGI được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu của MSC/VLR. Mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identity Code) Cấu trúc của mã nhận dạng trạm gốc như sau: NCC (3 bits) BCC (3 bits) Trong đó: NCC (Network Color Code): mã màu của mạng GSM. Được sử dụng để phân biệt với các mạng khác trong nước. BCC ( BTS Color Code ): mã màu của BTS. Dùng để phân biệt các kênh sử dụng cùng một tần số của các trạm BTS khác nhau. Số thuê bao ISDN của máy di động MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number) Mỗi thuê bao di động đều có một số máy MSISDN được ghi trong danh bạ điện thoại. MSISDN được sử dụng bởi MSC để truy nhập HLR khi cần thiết lập cuộc nối. MSISDN có cấu trúc như sau: CC NDC SN Trong đó: CC (Country Code): mã nước, là nơi thuê bao đăng kí nhập mạng (Việt Nam có CC = 84). NDC (National Destination Code): mã mạng GSM, dùng để phân biệt các mạng GSM trong cùng một nước. SN (Subscriber Number): số thuê bao, tối đa được 12 số, trong đó, có 3 số để nhận dạng HLR. Nhận dạng thuê bao di động toàn cầu IMSI (International Mobile Subscriber Identity) IMSI là mã số duy nhất cho mỗi thuê bao trong một vùng của hệ thống GSM. IMSI được ghi trong MS và trong HLR và bí mật với người sử dụng. IMSI có cấu trúc như sau: MCC MNC MSIN Trong đó: MCC (Mobile Country Code): mã nước có mạng GSM, do CCITT qui định để nhận dạng quốc gia mà thuê bao đang có mặt. MNC (Mobile Network Code): mã mạng GSM. MSIN (Mobile Subscriber Identification Number): số nhận dạng thuê bao di động, gồm 10 số được dùng để nhận dạng thuê bao di động trong các vùng dịch vụ của mạng GSM, với 3 số đầu tiên được dùng để nhận dạng HLR. MSIN được lưu giữ cố định trong VLR và trong thuê bao MS. MSIN được VLR sử dụng khi truy nhập HLR/AUC. Nhận dạng thuê bao di động cục bộ LMSI (Location Mobile subscriber Identity) VLR lưu giữ và sử dụng LMSI cho tất cả các thuê bao hiện đang có mặt tại vùng phủ sóng của nó và chuyển LMSI cùng với IMSI cho HLR. HLR sử dụng LMSI mỗi khi cần chuyển các mẫu tin liên quan đến thuê bao tương ứng để cung cấp dịch vụ. Nhận dạng thuê bao di động tạm thời TMSI (Temporaly Mobile subscriber Identity) TMSI do VLR tự tạo ra trong cơ sở dữ liệu của nó cùng với IMSI sau khi việc kiểm tra quyền truy nhập của thuê bao là hợp lệ. TMSI được sử dụng cùng với LAI để địa chỉ hoá thuê bao trong BSS và truy nhập số liệu của thuê bao trong cơ sở dữ liệu của VLR. Số vãng lai của thuê bao di động MSRN (Mobile Station Roaming Number) MSRN do VLR tạm thời tạo ra theo yêu cầu của HLR trước khi thiết lập cuộc gọi đến một thuê bao đang lưu động đến mạng của nó. Khi cuộc gọi kết thúc thì MSRN cũng bị xoá. Số chuyển giao HON (Handover Number) Chuyển giao là việc di chuyển cuộc gọi mà không làm gián đoạn từ cell này sang cell khác. Ví dụ, khi thuê bao di chuyển từ MSC1 sang MSC2 mà vẫn đang sử dụng dịch vụ. MSC2 yêu cầu VLR của nó tạm thời tạo ra HON để gửi cho MSC1 và MSC1 sử dụng HON để chuyển cuộc nối sang cho MSC2. Sau khi hết cuộc thoại hay thuê bao rời khỏi vùng phủ sóng của MSC1 thì HON sẽ bị xoá. Nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity) IMEI được hãng chế tạo ghi sẵn trong thiết bị thuê bao và được thuê bao cung cấp cho MSC khi cần thiết. Cấu trúc của IMEI: TAC FAC SNR Trong đó: TAC (Type Approval Code): mã chứng nhận loại thiết bị. FAC (Final Assembly Code): xác định nơi sản xuất. SNR (Serial Number): là số seri, dùng để xác định các máy có cùng TAC và FAC. [4], [11], [16-17]. Kết luận Có thể nói, GSM là hệ thống chuẩn hóa cao và khá hoàn chỉnh so với các hệ thống thông tin di động khác. Ngoài dịch vụ thoại, mạng GSM có thể cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau như các dịch vụ số liệu như nhắn tin, fax, hay hộp thư thoại. Chương 2 đã tìm hiểu về cấu trúc cũng như các phần tử chức năng trong hệ thống thông tin di động thế hệ 2. Bên cạnh đó, nội dung chương cũng trình bày về giao diện vô tuyến, tìm hiểu các kênh vật lý, kênh logic và các mã nhận dạng được sử dụng trong hệ thống thông tin di động. Chương 3 sẽ trình bày về nguyên lý và hoạt động của hệ thống thông tin di động thế hệ 2.