Khóa luận Phương pháp phân tích chuyển giao trong mạng GSM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Hữu Thành PHÂN TÍCH CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG GSM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện Tử - Viễn Thông Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Quốc Tuấn Cán bộ phản biện : PGS.TS Vương Đạo Vi HÀ NỘI - 2008 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Ngày nay thông tin liên lạc đả trở thành một nhu cầu quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Ngoài các dịch vụ mà các điện thoại cố định có như: truyền thoại, nhắn tin, Fax, dữ liệu, …vv. Thông tin di động còn cung cấp các tính năng ưu việt của nó ở chất lượng dịch vụ, tính bảo mật thông tin, thiết bị nhỏ gọn, linh hoạt trong việc di chuyển, và các dịch vụ ngày càng đa dạng như truyền hình di động, truyền video chất lượng cao, kết nối mạng internet với việc phát triển hệ thống thông tin di động lên hệ thống thông tin di động băng rộng (3G) ...vv. Cùng với sự phát triển của ngành thông tin liên lạc thì ngành công nghiệp viễn thông đả phát triển mạnh mẻ và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Để đáp ứng nhu cầu của khách hành các nhà cung cấp dịch vụ đả liên tục nâng cấp hệ thống mạng, chất lượng đường truyền, và đa dạng các dịch vụ, đồng thời giảm cước dịch vụ, những điều này đả mang lại cho họ một số lượng thuê bao khổng lồ và tăng nhanh. Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ như viettel, vinaphone, mobilephone đang có nguy cơ cháy số. Một ví dụ: Viettel có 5.555 trạm BTS. Từ đầu năm 2007 đến nay, Viettel đã xây dựng thêm hơn 2.500 trạm phát sóng và đến cuối năm 2007 số trạm BTS của Viettel sẽ là 7.000 trạm. Một công nghệ quan trọng nhất và được sử dụng phổ biến nhất không chỉ ở Việt Nam mà còn các nước trên thế giới là công nghệ GSM (Global System for Mobile communication-Hệ thống thông tin di động toàn cầu). Ở Việt Nam hiện nay những nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn như: Vinaphone, MobiFone, Viettel đều sử dụng công nghệ GSM. Được phát triển từ năm 1982 với kỷ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) một giải pháp tăng dung lượng hệ thống và mã hoá tín hiệu đảm bảo tính an toàn dữ liệu đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ để đáp ứng nhu cầu của hàng triệu khách hàng. Hệ thống GSM sử dụng SIMCARD có kích thước nhỏ gọn để cắm vào máy di động mà chỉ có người này mới có thể sử dụng nó tại một thời điểm như một thiết bị nhận dạng an toàn. GMS là công nghệ truyền sóng kỹ thuật số, cho phép một số người dùng truy nhập vào cùng một kênh tần số mà không bị kẹt bằng cách định vị những khe thời gian duy nhất cho mỗi người dùng trong mỗi kênh. Song song cùng tồn tại và phát triển với công nghệ GSM còn có các công nghệ khác như CDMA (công nghệ đa truy cập theo mã) cũng là một công nghệ tiên tiến và là đối thủ của GSM trong lính vực công nghệ truyền thông di động, hiện ở Việt Nam công nghệ này đang được các nhà khai thác dịch vụ như: S-Fone, Hà Nội Telecom, ETC. Công nghệ GSM đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA. Đây cũng chính là lý do CDMA chưa được phát triển rộng rãi tại Việt Nam. Một chức năng để bảo đảm chất lượng truy cập của một cuộc gọi khi con người sử dụng điện thoại di động di chuyển là chuyển giao cuộc gọi. Chuyển giao được định nghĩa là chuyển một cuộc gọi trong suốt hiện thời từ một kênh tần số này tới một kênh tần số khác trong khi người sử dụng điện thoại di động di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Đây là một chức năng quan trọng nhất và thể hiện được đặc tính khác biệt giữa mạng di động và mạng điện thoại cố định vì thế nghiên cứu thủ tục chuyển giao để xây dựng một mô hình chuyển giao trong thực tế để làm cho chức năng này càng tối ưu và hiệu quả là cần thiết. Vì vâỵ “Phân tích chi tiết giao thức chuyển giao và xây dựng mô hình chuyển giao trong mạng GSM” là mục đích chính của luận văn này. Luận văn này bao gồm: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng GSM. Mô hình kiến trúc, mô hình mạng và mạng truy cập GSM Chương 2: Giao thức báo hiệu điều khiển cuộc gọi trong mạng GSM. Thủ tục bật tắt máy di động, việc cập nhật vị trí và các thủ tục điều khiển việc truy cập vào để tiến hành một cuộc gọi. Chương 3: Chuyển giao trong mạng GSM. Giới thiệu về các loại chuyển giao có thể xảy ra trong mạng. Các giao diện liên quan đến chuyển giao, thủ tục chuyển giao bao gồm các bản tin có liên quan. Phân tích chuyển giao dựa trên ngôn ngữ SDL, dựa trên ngôn ngữ SDL để thiết kế mô hình chuyển giao sử dụng CPN. Luận văn này sẻ tâp trung vào xây dựng mô hình chuyển giao trong mạng GSM. Chúng ta sẻ đi phân tích các giao diện có liên quan tới quá trình chuyển giao và sử dụng một ngôn ngữ thường dùng để phân tích các giao thức trong mạng viễn thông là SDL để đi sâu phân tích chi tiết các quá trình thủ tục để chuyển giao một cuộc gọi. Sau đó là việc xây dựng mô hình CPN của các quá trình chuyển giao trong cùng một MSC. Cuối cùng không thể thiếu là việc đánh giá mô tính hiệu quả của mô hình, những công việc đả làm được, những vấn đề còn thiếu sót và hướng phát triển trong tương lai. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Quốc Tuấn, người đả nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo, cung cấp cho em nhiều tài liệu bổ ích giúp em cũng cố thêm kiến thức và đi tới hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đả dạy dổ cho em nhiều kiến thức cơ bản bổ ích cũng như cho em các kiến thức chuyên môn trong suốt 4 năm học tại trường Đại Học Công Nghệ, cảm ơn các thầy cô giáo đả tạo điều kiện thuận lợi và giúp em hoàn thành khoá luận này. Cuối cùng xin chân thành cảm ơn các bạn học đả nhiệt tình giúp đở tôi trong 4 năm học và giúp tôi hoàn thành khoá luận này. Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG GSM Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới ra đời đầu tiên ở châu Âu và có tên là GSM. Ban đầu hệ thống này được gọi là “nhóm đặc trách di động” (Group Special Mobile) theo tên gọi của một nhóm được CEPT cử ra nghiên cứu tiêu chuẩn. Sau đó để tiện cho việc thương mại hoá GSM được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu “Global System for Mobile communication”. 1.1 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC CỦA GSM Hệ thống GSM bao gồm 3 hệ thống cơ bản: hệ thống chuyển mạch SS, hệ thống trạm gốc BSS và trạm di động MS. Mổi hệ thống này chứa một số chức năng khác nhau như: chuyển mạch, quản lý nhận dạng thiết bị, tính cước .vv... tạo nên một hệ thống mạng di động liên kết. Ngoài ra còn có tổng đài cổng GMSC. GMSC làm việc như một tổng đài trung kế để giao diện giữa GSM và các mạng khác. Hình 1: Sơ đồ kiến trúc logic của mạng GSM 1.1.1 Trạm di động MS (Mobile Station) MS là các thuê bao, nó là các thiết bị mà người dùng sử dụng nó để thông tin với nhau. MS có thể là các thiết bị cầm tay nhưđiện thoại di động, máy tính cá nhân, máy Fax ...) MS cung cấp các giao diện với người dùng giúp cho việc khai thác các dịch vụ trong mạng. Các chức năng chính của MS: Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên qua đến mạng GSM, FAX ... 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. 1.1.2 Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identuty Module) Hệ thống GSM sử dụng một khoá nhận dạng thuê bao được cất trong một bộ nhớ nhỏ gọn gọi là SIM-CARD. Thiết bị này được cắm vào máy di động để thông tin trực tiếp vớí VLR và gián tiếp với HLR. 1.1.3 Trạm thu phát cơ sở BTS (Base Transceiver Station) Trạm thu phát cơ sở bao gồm các bộ thu phát và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. BTS kết nối với trạm di động thông qua giao diện Abis. BTS như một cái Modem vô tuyến phức tạp mà trong nó có một bộ phận quan trọng là bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU. TRAU thực hiện việc mã hoá và giãi mã tiếng đặc thù cho hệ thống di động, việc thích ứng tốc độ cho việc truyền dữ liệu. TRAU là một bộ phận của BTS nhưng trên thực tế nó có thể đặt cách xa BTS và có thể đặt ở giữa BSC và MSC. Hình 1.1: Kiến trúc logic của BSS 1.1.4 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 của BTS và MS. Các lênh này chủ yếu là các lênhj ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. BSC nối với BTS thông qua giao diện vô tuyến còn nối với MSC thông qua giao diện A. Vai trò của nó chủ yếu là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao. Một BTS trung bình có thể quản lý được vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của BTS này. BSC và BTS cũng có thể kết hợp trong một trạm gốc. 1.1.5 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC MSC là trung tâm chuyển mạch chính của mạng GSM. Nhiệm vụ điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các người sử dụng mạng thông tin di động một mặt giao diện với BSC, mặt khác giao diện với mạng ngoài thông qua GMSC. Để thực hiện việc kết nối MSC với mạng ngoài cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn. IWF là một thiết bị thích ứng giao thức và truyền dẫn sẻ làm việc đó. Hình 1.2: Kiến trúc logic của NSS 1.1.6 Bộ ghi định vị thường trú HLR HLR là thiết bị lưu cơ sở dữ liệu của mạng, các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông. HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao, nhưng không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao. HLR thường là một máy tính không có khả năng chuyển mạch mà chỉ có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC. 1.1.7 Bộ ghi định vị tạm trú VLR VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng. Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu tạm thời số liệu của thuê bao dang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí hiện thời của thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Nó giống như chức năng của bộ nhớ Catche. 1.1.8 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR EIR có chức năng quản lý thiết bị di động, là nơi lưu giữ tất cả dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối với MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị, một thiết bị không được phép sẻ bị cấm. 1.1.9 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC AUC quản lý việc hoạt động đăng ký thuê bao như nhập hay xoá thêu bao ra khỏi mạng. Nó còn có một nhiệm vụ quan trọng khác nữa là tính cước cuộc gọi. Cước phí phải được tính và gữi tới thuê bao. AUC quản lý thuê bao thông qua một khoá nhận dạng bí mật duy nhất được lưu trong HLR, AUC cũng được giữ vĩnh cữu trong bộ nhớ SIM-CARD. 1.1.10 Điều khiển quản lý và bảo dưỡng OMC OMC cho phép các nhà khai thác mạng theo dõi và kiểm tra các hành vi trong mạng như: tải của hệ thống, số lượng chuyển giao giữa các cell …vv. Nhờ vậy mà họ có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xữ lý sự cố. Khai thác và bão dưỡng cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những sự cố xuất hiện, nâng cấp mạng về dung lượng tăng vùng phủ sóng, định vị sữa chữa các sự cố hõng hóc …vv. Việc kiểm tra có thể nhờ một thiết bị có khả năng phát hiện một sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra nhờ tính toán. Việc thay đổi mạng có thể thực hiện “mềm” qua báo hiệu hay thực hiện cứng đòi hỏi can thiệp trực tiếp tại hiện trường. Việc khai thác có thể được thực hiện bằng máy tính đặt trong một trạm. 1.1.11 Các giao diện trong mạng GSM Hình 1.3: Các giao diện trong mạng GSM Giới thiệu các giao diện trong mạng GSM: BS đến MSC: Là giao diện A để đảm bảo báo hiệu và lưu lượng cả số liệu lẩn tiếng. Chi tiết về giao diện sẻ được đề cập trong chương 3 BST đến BSC: Là giao diện A-bis. Là một kết nối cố định bằng cáp thông thường băng thông khoảng 2Mbps. Chi tiết về giao diện sẻ được trình bày trong chương 3. MSC với PSTN: Là giao diện Ai. Giao diện này được định nghĩa như giao diênj tương tự sử dụng hoặc báo hiệu đa tần hai tông (DTMF) hay báo hiệu đa tần (MF). MSC với VLR: Là giao diện B. MSC với HLR: Là giao diện C. HLR với VLR: Là giao diện D. Đây là giao diện báo hiệu giữa HLR và VLR được xây dựng trên cơ sở báo hiệu số 7. MSC với ISDN: Là giao diện Di. Đây là giao diện số với mạng ISDN. MSC với MSC: Là giao diện E. Đây là giao diện lưu lượng và báo hiệu giữa các tổng đài của mạng di động. MSC với EIR: Là giao diện F. VLR với VLR: Là giao diện G. Nó được sử dụng khi cần thông tin trao đổi giữa các VLR. HLR với AUC: Là giao diện H. DMH với MSC: Là giao diện I. Đây là giao diện giữa bộ xử lý bản tin dữ liệu với MSC. MSC với IWF: Là giao diện F. MSC với PLMN: Là giao diện Mi. Là giao diện với các mạng thông tin di động khác. MSC với OS: Là giao diện O. Đây là giao diện với các hệ thống khác. MSC với PSPDN: Là giao diện Pi. Đây là giao diện giữa MSC với mạng chuyển mạch gói. Bộ thích ứng đầu cuối TA với thiết bị đầu cuối TE: Là giao diện R. Là giao diện đặc thù cho từng loại đầu cuối được kết nối với MS. ISDN với TE: Là giao diện S. Nó được định nghĩa ở hệ thống ISDN. BS với MS: Là giao diện Um. Đây là giao diện môi trường vô tuyến. PSTN với DCE: Là giao diện W. Nó được định nghĩa ở hệ thống PSTN. MSC với AUX: Là giao diện X. Chương sau ta sẻ đi chi tiết về các giao diện có liên quan tới quá trình chuyển giao và đây cũng là các giao diện hoạt động chính trong mạng GSM. 1.2 MÔ HÌNH MẠNG GSM Mạng GSM là mạng viễn thông phân cấp được nối theo mô hình cây. Các phần tử cùng cấp là ngang hàng (hình 1.4). Có thể chia mạng GSM thành 3 cấp tương ứng: Hình 1.4: Mô hình mạng phân lớp GSM Tổng đài liên tỉnh: Cấp liên tỉnh được hiểu là cấp cao nhất trong mạng GSM. Tương đương với cấp liên tỉnh là hệ thống NSS mà đặc trưng là trung tâm chuyển mạch MSC. Một MSC có thể quản lý nhiều BSC và được phân nhánh theo hình cây. Tổng đài nội hạt: Hệ thống BSS tương đương với một tổng đài nội hạt. Trong một BSS một BSC quản lý nhiều BTS. Giữa BTS và BSC có thể nối theo hình cây hoặc vòng sử dụng. Một BSC tương đương tổng đài host và các BTS tương đương với tổng đài vệ tinh. Hình 1.5: Kiều nối hình cây và vòng trong BSS Tổng đài tập trung thuê bao: Là các thuê bao di động, chúng có thể di chuyển từ cell này sang cell khác và vì vậy một kết nối từ tổng đài nội hạt tới các tổng đài vệ tinh là không cô định, kết nối này là kết nối vô tuyến động. 1.3 MẠNG TRUY CẬP GSM Mạng GSM sử dụng đa truy cập phân chia theo thời gian kết hợp phân chia theo tần số cho phép tận dụng tối đa băng tần được cấp và tăng dụng lượng hệ thống. Xu hướng là tiết kiệm băng thông, thời gian truy cập ngắn và độ trể là nhỏ nhất. GSM băng tần 900MHz sử dụng phương pháp truy cập TDMA 8 kênh với độ rộng băng tần sóng mang 200kHz và sử dụng truyền dẫn có liên kết để một MS có thể truy cập vào mạng. 1.3.1 Các kênh vật lý GSM sử dụng phối hợp giữa đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Phân chia theo tần số: Phân bố tần số trong GSM được quy định nằm trong khoảng 890 - 960MHz với sự bố trí các kênh tần số như sau: Dải tần số tuyến lên (từ MS đến BTS) 25MHz: 890 – 915MHz fL = 890MHz + (0,2MHz) x n trong đó n = 0,1,...,124 Dải tần đường xuống (từ BTS đến MS) 25MHz: 935 – 960 MHz fU = fL +45MHz Như vậy có 125 kênh được đánh số tứ 0 -> 124 riêng kênh 0 dành cho khoảng bảo vệ. Hệ thống GSM mở rộng (E-GSM) có băng tần rộng thêm 10MHz ở cả hai phía nhờ vậy số kênh tăng thêm 50 kênh. Phân bố tần số trong dải này như sau: fL = 890MHz +(0,2MHz) x n; n =0,1,...124 và fL = 890MHz +(0,2MHz) x (n – 1024); n=974,975,...,1023 fU = fL + 45MHz Như vậy các kênh bổ sung được đánh số từ 974->1023 được sử dụng kênh thấp nhất 974 để làm khoảng bảo vệ. Đối với hệ thống DCS-1800 băng tần công tác 1710-1880 MHz phân bố tần số như sau: fL = 1710MHz + (0,2MHz) x (b-511); n= 512,513,...,885 fU = fL + 95MHz Như vậy có 375 kênh được đánh số từ 412 -> 884 Trong thông tin di động sử dụng phương pháp lặp lại tần số để tránh sự nhiểu các kênh lân cân và tăng dung lượng hệ thống. Một phương pháp đặc biệt nữa để tăng dung lượng hệ thống là kết hợp phân chia theo thời gian và phân chia theo tần số. Truyền dẩn vô tuyến ở GSM được chia thành các cụm (Burst) chứa hàng trăm bit đã được điều chế. Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian có độ rộng là 15/26ms~ 577us ở trong một kênh tần số có độ rộng 200kHz nói trên. Hình 1.6: Đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA Mổi kênh tần số cho phép tổ chức các khung truy cập theo thời gian có độ dài 4,62ms, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ 0->7, mỗi khe gọi là một timeslots (TS0, TS1, ... , TS7). Hình 1.7a: Tổ chức một khung TDMA Tất cả các khung TDMA ở tất cả các kênh tần số ở cả đường lên lẩn đường xuống đều được đồng bộ. Tuy nhiên để MS sử dụng cùng một khe thời gian cho cả đường lên lẩn đường xuống mà không phải thu phát đồng thời thì khởi đầu của khung TDMA đường lên trể 3 timeslots. Hình 1.7b: Phân khung TDMA Cấu trúc một cụm (Burst): Một cụm là một khe thời gian có độ dài 577us. Trong hệ thống GSM tồn tại 4 dạng cụm khác nhau. Nội dung các cụm (hình 1.8) như sau: Cụm bình thường (NB: Normal Burst): cụm này được sử dụng để mang thông tin về các kênh lưu lượng và các kênh kiểm tra. Đối với kênh lưa lượng TCH cụm này chứa 144 bit được mã mật mã, 2 bit cờ lấy cắp (chỉ cho kênh TCH) trong 58 bit thông tin, 2 cặp 3 bit đuôi 000 (tail bíts) để đảm bảo rằng bộ giải mã viterbi bắt đầu và kết thúc trong một trạng thái đả biết, 26 bit hướng dẫn (phản ánh tương đối đúng tình trạng truyền sóng cho máy thu từ đó bộ cân bằng viterbi có thể xây dựng mô hình kênh ở các thời điểm để loại bỏ ảnh hưởng của nhiểu pha định đa tia) và khoảng bảo vệ 8,25 bit tránh ảnh hưởng của kênh lân cận. Tổng cộng có 156,25 bits. Cụm hiệu chỉnh tần số (FB: Frequency Correction Bits): Cụm này được sử dụng để đồng bộ tần số cho trạm di động. Cụm chứa 142 bit cố định bằng 0 để tạo ra dịch tần số +67,7kHz trên tần số định danh, 2 cặp 3 bit đuôi 000 chuổi bít không này sau khi sau khi điều chế GMSK cho một sóng hình sin hoàn toàn quanh tần số 68kHz cao hơn tần số sóng mang RF, 8.25 bit dùng cho khoảng bảo vệ. Cụm đồng bộ (SB: Synchronisation Burst): cụm này dùng để đồng bộ thời gian cho trạm di động. Cụm chứa 2*39 bit thông tin được mật mã hóa để mang thông tin chi tiết về cấu trúc khung (về số khung (FN)) của khung TDMA và BSIC (Base Station Identity Code), 2 căp 3 bit đuôi 000 để đảm báo bắt đầu và kết thúc của khung mang thông tin cấn thiết, burst đồng bộ là burst đầu tiên mà MS giải điều chế vì lý do này mà chuổi hướng dẩn kéo dài 64 bit và nó cũng cho phép lớn hơn độ rộng trể đa đường, thêm khoảng bảo vệ 8,25 bit. Cụm truy nhập (AB: Access Burst): cụm này được sử dụng bởi MS để truy nhập ngẫu nhiên khởi tạo mạng và chuyển giao. Nó là burst đầu tiên của đường lên mà BTS sẻ giải điều chế từ một MS đặc thù. Cùng với burst đồng bộcụm chứa 41 bit hướng dẫn để kéo dài thoải mái quá trình giải điều chế, cụm chứa 36 bit thông tin, 8 bit đuôi đầu, 3 bit đuôi cuối và khoảng bảo vệ 68,25 bit để bù trể cho sự lan truyền giữa MS và BTS và cũng để phù hợp với cấu trúc một cụm cho một khe thời gian. Hình 1.8: Khuôn dạng các burst trong GSM Cụm giả (DB: Dummy Burst): Cụm giả được phát đi từ BTS trong một số trường hợp để lấp kín những khe thời gian không hoạt động trên kênh BCCH. Cụm không mang thông tin và có cấu trúc giống như NB nhưng các bít mật mã được thay thế bằng các bit hỗn hợp. Tổ chức khung đa khung siêu khung: Mổi khung TDMA cho một sóng mang. Một khung có 8 khe thời gian được đánh số từ 0 đến 7. Nguyên lý mật mã hoá trong hệ thống GSM dùng một thông số là số khung TDMA. Vì vậy trạm thu phát gốc phải đánh số các khung ở dạng chu trình (không thể đánh số khung đến vô tận). Số này còn được sử dụng trong thuật toán nhảy tần. Số được chọn là 2715648 tương ứng 3 giờ 28 phút 53 giây 760 ms. Cấu trúc này được gọi là siêu siêu khung. Một siêu siêu khung được chia thành 2048 siêu khung với khoảng thời gian 6 phút 12 giây. Siêu khung được chia thành các đa khung. Có hai loại đa khung: Đa khung 26 khung, đa khung này sử dụng cho kênh TCH, SACCH, FACCH và 51 đa khung hợp thành một siêu khung. Ở đa khung điều khiển 51 khung để đảm bảo bất kỳ thuê bao GSM nào (ở tế bào phục vụ hay lân cận) có thể nhận được SCH và FCCH từ BCH mà không phụ thuộc vào việc nó đang dùng khung nào và khe thời gian nào. Đa khung này sử dụng cho các kênh báo hiệu logic BCCH, CCCH, FCCH và SACCH. (26 đa khung thành 1 siêu khung). Cấu trúc khung cho kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/F) chiếm dữ một khe thời gian trong mỗi khung TDMA (hình 1.9a). 12 khe trong mỗi khung TDMA đầu tiên của đa khung 26 được sử dụng cho kênh TCH/F từ khung 0 tới 11. khe thời gian tiếp (khe 12 trong đa khung 26) theo không được sử dụng cho truyền dẫn, là khoảng thời gian rổi khe “idle”. 12 khe tiếp theo trong mỗi khung TDMA của đa khung được sử dụng cho TCH/F. Khe thời gian còn lại của đa khung 26 được sử dụng cho kênh SACCH. Hình 1.9a có thể được ứng dụng cho cả đường lên và đường xuống. Chú ý cấu trúc đa khung thể hiện trong hình 1.9a chỉ gắn cho một kênh TCH/F chiếm giữ những khe thời gian được đánh số lẻ. Trên khe thời gian được đánh số chẵn và khe thời gian 0 là vị trí của khe thời gian rỗi và khe dành cho kênh SACCH được trao đổi. Chú ý rằng hình 2.9a chỉ thể hiện những khe thời gian từ cùng kênh vật lý, các khe thời gian từ 7 kênh vật lý còn lại đả bị bỏ quên. Hình 1.10b thể hiện ghép 2 kênh lưu lượng bán tốc TCH1&TCH0 lên các khung TDMA của đa khung 26, khung thứ 13 và 16 dành cho kênh SACCH0 và SACCH1. Hình 1.9a: Cấu trúc khung cho kênh lưu lượng toàn tốc TCH/F trên khe thời gian 1 Cấu trúc khung cho kênh điều khiển đặt trên khe thời gian TS0 thể hiện trên hình 1.9b. Trong trường hợp đa khung 51 khung với thời gian 235ms. Toàn bộ các kênh ngoại trừ kênh TCH đều sử dụng cấu trúc đa khung 51 khung. Mỗi đa khung điều khiển BCCH/CCCH có độ dài là 235.4 ms(gồm 51 khung TDMA) được mapping trên TS0 của sóng mang có chứa kênh BCCH/CCCH (không phải sóng mang nào cũng có chứa tổ hợp kênh này), ở đa khung 51 này có độ dài 235.4 ms sẽ có 5 TS dùng để phát thông tin trên kênh SCH, cụ thể TS0 của khung thứ 1 (bắt đầu tính từ khung thứ 0 đến khung thứ 50), TS0 của khung thứ 11, TS0 của khung thứ 21, 31, 41. Tức là cứ sau 10 khung (10 x 4.615 ms) thì thông tin trên SCH (có chứa số hiệu khung) lại được phát 1lần. Kênh logic FACCH được dùng khi có yêu cầu chuyển giao khi đang hội thoại, nó chiếm 20 ms trên chính kênh TCH được cấp cho MS và vì vậy nó được gọi là "stealing". Thời gian tối đa phải chờ của MS để thu được số khung TDMA sẽ là khoảng thời gian từ sau TS0 cuối cùng trong đa khung 51 của kênh vật lý BCCH (TS0 trên sóng mang BCCH của trạm BS) dành cho kênh logic SCH, cho tới hết TS0 dành cho SCH đầu tiên của đa khung 51 của kênh vật lý BCCH tiếp theo. Do yêu cầu điều khiển chuyển giao khi đang diễn ra đàm thoại cần phải nhanh mà kênh SACCH thì lại có tốc độ quá chậm (chỉ có 1 lần trong đa khung 26 của kênh TCH, chỉ đủ để: Đường xuống, BS gửi yêu cầu điều khiển công suất và time alignment cho MS; Đường lên, MS gửi các náo cáo đo lường công suất cho BS phục vụ điều khiển HO và tính toán điều khiển công suất/time alignment). Do đó người ta "lấy cắp" kênh TCH 2 chiều đang đàm thoại để truyền tin tức điều khiển HO (vì lúc này thì chất lượng thoại lúc đó cũng đã quá kém rồi, có để kênh TCH thì cũng không truyền thoại tiếp nữa). Việc lấy cắp được diễn ra như sau: Ngắt không truyền tin tức cuộc gọi trên kênh logic TCH; Truyền tín hiệu điều khiển chuyển giao trên kênh đó. Việc phân biệt khi nào kênh TCH là TCH, khi nào là FACCH thực hiện nhờ cờ lấy cắp là 1 bít nằm sau đoạn 56 bít mã thông tin thứ nhất trong burst TCH (nằm ngay trước 26 bít training) và 1 bít nằm đầu ngay trước đoạn 56 bít mã thông tin thứ hai trong burst TCH (ngay sau 26 bit training). Bít cờ ăn cắp này là 1 thì kênh TCH lúc đó đang dùng cho FACCH còn là 0 thì đang là TCH (đang truyền các dữ liệu thoại của cuộc đàm thoại). Hình 1.9b: Cấu trúc khung cho một nhóm kênh điều khiển trên TS0 1.3.2 Các kênh logic Trong GSM có hai loại kênh logic chính là kênh lưu lượng TCH và kênh điều khiển CCH. Hình 1.10a: Sơ đồ hệ thồng các kênh logic trong mạng GSM Kênh lưu lượng (TCH): Các kênh lưu lượng được phân thành 2 loại: toàn tốc (13kbps) hay bán tốc (6,5kbps). Ở chế độ toàn tốc người dùng chiếm hoàn toàn một khe thời gian ở các khung liên tiếp, trong khi ở bán tốc khe được phân cách khung. TCH không được dùng ở TS0 (khe này dành cho điều khiển). 26 khung liên tiếp tạo nên đa khung (trong đó khung thứ 13 luôn chứa dữ liệu điều khiển liên kết chậm, khung thứ 26 là khung rỗi ở chế độ toàn tốc và cũng chứa điều khiển liên tiếp chậm ở chế độ bán tốc). Hình 1.10b: Tổ chức hai kênh lưu lượng bán tốc TCH0/H và TCH1/H lên đa khung 26 Tiếng nói: tiếng nói được số hoá tại tốc độ 13kbps, thêm mã kênh sẻ có tốc độ 22,8kbps. Với bán tốc tốc độ số hoá 6,5kbps khi bổ sung thêm mã kênh cho tốc độ 11,4kbps. Dữ liệu toàn tốc: 12kbps (cho tốc độ luồng cơ sở 9,6kbps), 6kbps (cho tốc độ luồng cơ sở 4,8kbps), 3,6kbps (cho tốc độ luồng cơ sở bé hơn hoặc bằng 2,4kbps). Các kênh điều khiển: Có 3 loại kênh điều khiển chính: Kênh quảng bá BCH, kênh điều khiển chung CCCH, kênh điểu khiển riêng DCCH. Kênh quảng bá BCH: có 3 loại kênh tách biệt Các kênh hiệu chỉnh tần số FCCH: Các kênh này mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho các trạm MS. Chứa ở khung 0 và lặp lại sau 10 khung nhằm đồng bộ tần số nội của máy di động MS với tần số trạm gốc BTS. Kênh điểu khiển quảng bá BCCH: Chỉ sử dụng ở đường xuống. Kênh này hát quảng bá các thông tin về tế bào (Cell), mạng và tình trạng hiện tại của tế bào (cấu trúc điều khiển, các kênh lưu lượng còn rỗi, đang sử dụng hoặc nghẽn). Từ khung thứ 2 đến khung thứ 5 trong một đa khung (4/51 khung) chứa dữ liệu BCCH trên khe TS0. Kênh đồng bộ SCH: Kênh này mang thông tin để đồng bộ khung cho trạm di động MS và nhận dạng BTS, nó chỉ sử dụng cho đường xuống. Khung SCH chứa tại các khung ngay sau FCCH cho phép máy di động xác định trạm cơ sở phục vụ và đồng bộ khung với trạm gốc. Số khung FN từ 0->2715647 được gửi cùng mã xác định trạm gốc (BSIC) trong dữ liệu SCH. Vì máy di động có thể ở xa BS đến 30Km nên nó thường phải hiệu chỉnh thời gian để đồng bộ đồng hồ với trạm gốc (tính đến thời gian truyền sóng). BS phát lệnh bổ sung thời gian đến MS thông qua SCH. Hình 1.10c: Tổ chức các kênh điều khiển quảng bá lên các khe thời gian Các kênh điều khiển dùng chung CCCH: Có 3 loại Kênh tìm gọi PCH: Cung cấp tin nhắn từ BTS đến MS để tìm gọi MS, PCH phát IMSI của thuê bao và yêu cầu đáp lại trên tuyến lên RACH. Ngoài ra PCH cũng có thể được dùng cung cấp các bản tin quảng bá tế bào dạng ASCII. Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH: Kênh này tuyến lên để máy di động MS đáp lại lời tìm gọi hoặc để MS đề nghị khởi phát cuộc gọi (cung cấp một kênh). RACH dùng sơ đồ truy cập ALOHA và có thể chiếm tất cả các khung nằm ở TS0. Khi thiết lập dịch vụ BS phải trả lời RACH bằng cách phân kênh và dành một kênh điều khiển dành riêng SDCCH để báo hiệu cuộc gọi. Kết nối này (số hiệu kênh được phân) được thông báo qua AGCH. Kênh trợ giúp truy cập AGCH: Hoạt động trên tuyến xuống, dữ liệu được mang chỉ thị cho MS chuyển sang một kênh vật lý xác định (một khe trong một ARFCN) với một kênh điều khiển riêng. AGCH là bản tin CCCH cuối cùng gữi từ trạm BS trước khi MS ngẳt khỏi kênh điều khiển (dùng để đáp lại RACH gữi ngược từ khung trước đó). Kênh điều khiển dành riêng DCCH: Dùng cho một cuộc gọi cụ thể. Cũng có 3 loại giống như kênh lưu lượng có chức năng, dạng thức giống nhau trong cả 2 chiều đồng thời có thể ở bất kỳ khe nào ngoài TS0, bất kỳ ARFCN nào. Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH: mang dữ liệu báo hiệu và hiệu chỉnh kết nối MS và BS ngay trước khi được phân TCH. SDCCH đảm bảo rằng MS và BS vẫn được kết nối trong lúc BS và MSC kiểm tra thuê bao và phân TCH. SDCCH được dùng đê gửi bản tin nhận thực, báo hiệu cũng như đồng bộ máy di động với cấu trúc khung để chờ TCH, chúng có thể là một kênh vật lý khác hay chiếm TS0 của BCH nếu lúc đó có yêu cầu chậm lưu lượng BCH hoặc CCCH. Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH: kênh này liên kết với TCH hay SDCCH, ở tuyến xuống chúng mang thông tin điều khiển đến MS (mức công suất, đặt lại timing). Ở tuyến lên chúng mang thông tin về độ mạnh tín hiệu nhận được, chất lượng kênh TCH cũng như kết quả đo mức BCH từ tế bào lân cận. Dữ liệu được mang ở 8 khe (khi có 8 người dùng) trong khung thứ 13 hoặc 26. Kênh liên kết nhanh FACCH: mang thông tin khẩn cấp (giống loại bản tin trong SDCCH) xen vào TCH bất kỳ lúc nào (ví dụ khi yêu cầu chuyển giao) bằng cách thay thế vào khe của TCH và đặt lại 2 bit cờ hiệu - cờ lấy lén). Kênh quảng bá ô CBCH: Kênh này chỉ được sử dụng ở đường xuống để phát quảng bá ô cho các bản tin ngắn SMSCB. CBCH sử dụng cùng kênh vật lý như SDCCH. Cấu hình kênh logic có thể đặt vào một kênh vật lý: Hình 1.10d: Tổ hợp các kênh logic lên kênh vật lý 1.4 XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG GSM Hình 1.11 là sơ đồ miêu tả quá trình thu phát tín hiệu trong mạng GSM. Hình 1.11: Xử lý tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến ở MS 1.4.1 Mã hoá tiếng nói Tiếng nói được đưa qua bộ lọc thông thấp vào bộ biến đổi A/D để được mã hoá PCM đồng đều với tần số lấy mẫu 8kHz và 13 bit mã hoá cho một mẫu. Trước khi vào bộ mã hoá tiếng thì tín hiệu PCM đồng đều 13bit/8000mẫu/s được nhấn mạnh trước (Pre-emphasis) rồi được chia thành các đoạn (khung) 20ms/160mẫu/13bit đưa vào đầu vào của bộ mã hoá. Ở đầu ra của bộ mã hoá ta được các khối 20ms mã hoá 260 bit làm cho tốc độ của luồng là 13kbps. Nếu tín hiệu đầu vào mạng GSM lấy từ mạng PSTN thì trước hết tín hiệu 8 bit PCM luật A được biến đổi thành 13 bit PCM đồng đều rồi sau đó đưa ra bộ mã hoá để biến đổi thành 13kbps. 1.4.2 Mã hoá kênh Mã hoá kênh trong GSM được sử dụng để hiệu chỉnh và phát hiện lỗi trong luồng thu để giảm tỷ số bit lỗi BER. Ở hệ thống thông tin di động người ta sử dụng 2 loại mã kênh khác nhau: mã khối tuyến tính (Linear Block Code) và mã xoắn (Convolutional Code). Mã khối được sử dụng để phát hiện lỗi còn mã xoắn để sửa lỗi. Mã hoá kênh cho lưu lượng tiếng: Lối ra của bộ mã hoá tiếng được xếp thành nhóm để chống lỗi dựa vào mức độ quan trọng của bit. 260bit/20ms được chia thành 182 bit loại I (các bit được bảo vệ), 78 bit loại II (không được bảo vệ).Trong 128 bit được bảo vệ phân ra 50 bit quan trong nhất Ia sẻ được bảo vệ bằng 3 bit chẵn lẻ (CRC) để phát hiện lỗi. Các bit này được tạo ra ở bộ mã hoá khối tuyến tính có đa thức tạo mã: (x) = x3 + x +1. Cho phép phát hiện lỗi trên một khối 50 bit. 132 bit tiếp theo cùng với 53 bit trên lại được bổ sung thêm 4 bit zero vào cuối theo hai đa thức :g1(x) = 1 + x3 + x4 và g2(x) = 1 + x + x3 + x4 thành 189 bit được mã xoắn tốc độ ½ tạo nên dãy 378 bit. 378 bit này lại được tách ra và xếp đan xen theo kiểu chẵn lẽ: các bít chẵn bít d0,d2 ...d180 xếp đầu đến 3 bít CRC rồi tới d181,d179.....d1 tiếp theo là 4 bít zero (hình 1.12). Tổ hợp các bít này cùng với 78 bit không quan trọng không được chống lỗi tạo thành khối 456bit/20ms cho tốc độ 22,8 kbps. Hình 1.12: Mã hoá kênh cho tiếng toàn toàn tốc Mã hoá kênh cho tiếng toàn tốc: Mã hoá kênh điều khiển: Bản tin điều khiển dài 184 bit được mã lửa dùng đa thức sinh: G4(x) = (x23 + 1)(x17 + x3 + 1) sẻ cho 184 bit bản tin và 50 bit kiểm tra tiếp theo cộng thêm 4 bit đuôi (để phù hợp với mã xoắn tiếp theo). Tổng cộng là 228 bit được cấp cho bộ mã xoắn ½ kết quả cho 456 bit, tốc độ 22,8kbps. 1.4.3 Đan xen Để giảm nhiễu cụm trên dữ liệu nhận được 456bit/20ms (tiến nói hay bản tin) được tổ chức lại và được ghép xen theo 8 nữa cụm: 1 9 17 25 . . . 449 2 10 18 26 . . . 450 3 11 19 27 . . . 451 4 12 20 28 . . . 452 4 13 21 29 . . . 453 6 14 22 30 . . . 454 8 16 24 32 . . . 456 8 khung 47bit 7 14 23 31 . . . 454 Hình 1.13a: Đan xen tiếng toàn tốc mức 1 Đan xen tiếng toàn tốc mức 1: Mỗi bán cụm chứa 47 bit. Sau đó các bán cụm nói trên được đan xen ở mức hai. Đan xen mức 2: Giã sử có 4 cụm giữ liệu A, B, C, D được ghép đan xen với nhau như hình 1.13b. Ta thấy 4 bán cụm đầu của một lớp (lớp A) được đặt vào bốn cụm đầu ở các vị trí lẻ, các vị trí chẵn được dành cho ghép xen các bít của 4 bán cụm sau của khối trước đó ( khối D). Bốn bán cụm sau của khối A được đặt vào các vị trí chẵn của bốn cụm sau, các vị trí lẻ để đan xen các bán cụm từ khối B. Với cách đan xen này nếu ta mất hẳn một cụm thì mất 12,5% thông tin của một khối bản tin và sau khi sắp xếp lại các bít lỗi sẻ phân tán cách nhau 8 bit. Nếu bị lỗi một cụm liên tiếp 10 bit thì khi sắp xếp lại ở phía thu các bit lỗi sẽ phân tán cách nhau 16 bit. A1 A17 A33 ... A9 A24 A41... A4 A20 A36 ... A12 A28 A44... B1 A5 B17 A21 B33 A37... B9 A13 B25 A29 B41 A45... C1 B5 C17 B21 C33 B37... C9 B13 C25 B29 C41 B45... B4 A8 B20 A24 B36 A40... B12 A16 B28 A32 B44 A48... C4 B8 C20 B24 C36 B40... C12 B16 C28 B32 C44 B48... Hình 1.13b: Đan xen mức 2 1.4.4 Mật mã hoá Mục đích của việc mật mã hoá dữ liệu là chống sự can thiệp của người thứ 3, hay sự xâm phạm tín hiệu ngoài ý muốn. Trong GSM mật mã hóa là không phụ thuộc dữ liệu, nhưng chỉ áp dụng cho cụm thường. Mật mã hoá tín hiệu đạt được bằng thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa một chuổi ngẫu nhiên với 114 bit của cụm bình thường, nghĩa là với tất cả các bit thông tin trừ các cờ lấy cắp: Hình 1.14a: Quá trình mật mã hoá và giải mã Để giãi mã người ta thực hiện thao tác hoặc loại trừ XOR giữ tín hiệu thu với chuổi ngẫu nhiên. Chuổi ngẫu nhiên được tạo ra từ số khung và khoá mật mã Kc theo thuật toán A5. Thuật toán A3 được dùng để nhận thực MS bằng cách kiểm tra passcode trong SIM và chìa khoá mã Ki tại MS của thuê bao. Mẫu tin được gữi từ mạng tới MS là một số ngẫu nhiên 128 bit gọi là RAND. Cả A3 lẫn Ki được lưu trong SIM, nó chỉ được đọc từ SIM khi mà đã đựơc cá nhân hoá dưới sự điều khiển của mạng. Ki kết hợp với RAND qua thuật toán A3 cho SRES (13 bit). Hình 1.14b: Quá trình nhận thực và mật mã hóa 1.4.5 Điều chế Công nghệ điều chế được sử dụng trên kênh vô tuyến trong mạng GSM là khoá dịch pha cực tiểu GMSK. Đây là phương pháp băng hẹp dựa trên kỹ thuật điều chế dịch pha với tiêu chuẩn băng thông được sử dụng là BT =0,3 (B là độ rộng băng tần, T khoảng thời gian kéo dài của bit). GMSK là loại điều chế FM số đặc biệt. Nền tang của GMSK chính là MSK. Mức logic 1 là nguyên nhân của sự dịch pha sóng mang tăng 90o, còn mức logic 0 sẻ là nguyên nhân của sự pha giảm 90o. Hay nói cách khác bit 1 và 0 được biểu diễn bằng dịch tần sóng mang RF một lượng 67,708kHz. Sự dịch pha là do chuyển dịch tức thòi của tần số sóng mang giữa 2 giá trị khác nhau, f1và f2, do đó MSK là một trường hợp đặc biệt của FSK. Tần số f1 và f2 được cho bởi: Trong đó Rb là tốc độ ký hiệu điều chế ~ 271kbps, fc là tần số sóng mang. (tôc độ kênh) chính bằng 4 lần sự dịch tần của sóng mang. Để thu được phổ tần số của tín hiệu điều chế luồng bít đưa lên điều chế được đưa qua bộ lọc Gauss. Vì thế gọi là điều chế GMSK. Các bit dữ liệu thứ i di, được mã hoá vi phân bỡi sự biễu diễn cộng modul 2 của bit hiện tại và bit trước đó: Trong đó là mã hoá vi phân của bit thứ i, di có thể mang giá trị 0 hoặc 1. Dữ liệu điều chế tại đầu vào αi tới bộ điều chế GMSK, được cho bởi: Dữ liệu điều chế αi sau đó được cho qua bộ lọc liner (tuyến) với đáp ứng xung h(t) cho bởi: T là chu kỳ bit và B là băng thông của bộ lọc 3dB. BT trong GSM là 0,3 ý là mỗi bit được trải dài 3 bit điều chế. Kết quả là ISI phải được tách ra tại nơi nhận khi sử dụng môt bộ cân bằng (ví dụ bộ cân bằng Viterbi). Đáp ứng xung h(t) và đáp ứng tần số H(f) của bộ lọc được thể hiện ở hình 1.12a. Hình 1.15a: Đáp ứng xung h(t) và đáp ứng tần số H(z) của bộ lọc Gauss được sử dụng trong GMSK Đáp ứng xung của bộ lọc g(t) (hình 1.12b), tín hiệu ở đầu ra của bộ lọc khi một xung có độ rộng T được đưa vào: Trong đó: Đáp ứng xung g(t) thể hiện trong hình 1.12b ta nhận thấy nó kéo dài xấp xĩ 3 chu kỳ bit T và biên độ của g(t) là 1. Hình 2.15b: Đáp ứng xung của bộ lọc GMSK Hình 2.15c: Đầu ra của bộ lọc băng cơ sở Tín hiệu tại đầu ra của bộ lọc là tổng của đáp ứng xung cho mỗi bit dữ liệu vào. Hình 1.12c là dãy dữ liệu 0010. Tín hiệu này được sử dụng để điều chế tần số của sóng mang. Pha của tín hiệu được điều chế φ(t) có thể đã được xác định bởi sự tích hợp các tín hiệu tại đầu ra của bộ lọc: Trong đó m=1/2 chỉ số điều chế. Sự thay đổi của pha giới hạn là π/2 (radians). Tín hiệu sóng mang được điều chế RF có thể được biểu diễn: Trong đó Ec là năng lượng trên bit điều chế. f0 là tần số sóng mang và φ0 là bù pha ngẫu nhiên được duy trì liên tục trong khoảng thời gian của 1 cụm đơn TDMA. Chương 2 GIAO THỨC BÁO HIỆU MẠNG GSM Trong phần trên chúng ta đả tổng quan về mạng GSM. Phần này chúng ta sẻ tìm hiểu về các giao thức báo hiệu, thủ tục để thiết lập điều khiển và kết thúc một cuộc gọi. Chúng ta sẻ đi tìm hiểu chi tiết về các giao diện hoạt động chủ yếu trong quá trình gọi và chuyển giao trong mạng. Các giao diện: A, Abis, Air được thể hiện trong hình 3.0. Hình 2.0: Các giao diện liên quan tới việc chuyển giao trong GSM 2.1 GIAO THỨC BÁO HIỆU Nhiệm vụ chính của báo hiệu là để thiết lập và xoá kết nối cuộc gọi. Ngày nay các ứng dụng mới luôn luôn được thêm vào. Trong đó là việc tự động truy cập cơ sở dữ liệu hoặc Các dịch vụ được mở rộng trên một vùng rộng lớn của mạng viễn thông. Hình 2.1: Giao thức báo hiệu trong mạng GSM 2.1.1 Giao diện A Trên lớp vật lý, giao diện A bao gồm một hoặc nhiều liên kết PCM giữa MSC và BSC với băng thông khoảng 2Mbps. Đặt giữa BSC và MSC là TRAU (Transcoder Adapter Rate Unit) là một thiết bị thích ứng tốc độ, ở đây còn có quá trình mã hoá và giãi mã tiếng một đặc thù trong thông tin di động được tiến hành. Vì thế có thể chia giao diện A thành 2 phần như sau: Phần thứ nhất giữa BSC và TRAU, nơi dữ liệu tải trọng truyền dẫn vẩn được nén. Hình 3.1 thể hiện một cấu hình kênh có thể cho 3 đường trung kế. Như trên giao diện Abis, một kênh lưu lượng đơn chỉ chiếm 2 trong số 8 bit của một kênh PCM. Điều này giải thích tại sao có thể truyền 4 kênh lưu lượng toàn tốc trên một kênh PCM. Không kể đến các TS nơi thông tin báo hiệu được mang. Thông tin báo hiệu yêu cầu toàn bộ 64Kbps của kênh. Phần thứ hai là giữa TRAU và MSC, tại nơi đó toàn bộ dữ liệu không được nén. Bởi vì mổi kênh lưu lượng yêu cầu tất cả 8 bit hoặc chiếm toàn bộ 64Kbps của kênh PCM. Vị trí của kênh báo hiệu có thể khác trước và sau TRAU (hình 2.2). Hình 2.2: Cấu hình kênh có thể giữa BSC và MSC Giao diện A là giao diện giữa BSC và MSC, nó được xây dựng trên chuẩn giao tiếp đang tồn tại là hệ thống báo hiệu SS7 được sử dụng khắp trong NSS. Chuẩn báo hiệu này rất phổ biến trong giao tiếp điện thoại. Trong mạng viễn thông PSTN và ISDN. Hệ thống báo hiệu kênh chung CSSN07 là tiêu chuẩn toàn cầu để định nghĩa truyền thông bằng liên minh truyền thông quốc tế ITU. Phần tiêu chuẩn hoá truyền thông ITU-T. Tiêu chuẩn này được định nghĩa thủ tục và giao thức bằng phần tử mạng trong mạng chuyển mạch công cộng PSTN thông tin chuyển mạch qua mạng báo hiệu số 7 tới tế bào (liên kết vô tuyến) và đường dây thiết lập cuộc gọi định tuyến và điều khiển. Ở CCSN7 đường báo hiệu tách riêng so với đường tiếng. Ở mạng này không nhất thiết có một kênh báo hiệu trên mọi đoạn nối, điều này có nghĩa là các bản tin báo hiệu có thể có các đoạn nối khác với đường dẫn để đến được điểm nhận, để tránh nhầm lẫn người ta gán nhãn cho từng bản tin. Kênh báo hiệu có thể chiếm một khe thời gian bất kỳ trên các đường truyền dẫn 2Mbps trừ khe TS0 và được sử dụng để truyền tất cả các báo hiệu của các kênh thoại ở đoạn nối tương ứng. Các giao thức được sử dụng trong SS7. Thiết lập cuộc gọi cơ sở, quản lý và Haldown Dịch vụ klhông dây như dịch vụ thông tin cá nhân (PCS) chuyển giao không giây và nhận thực thuê bao di động Di chuyển số định vị LNP Miễn thuế cước và dịch vụ đường dây tính cước Tăng đặc trưng gọi như định hướng cuộc gọi, tên cuộc gọi và hiển thị số, kết nối người thứ 3 Truyền thông toàn cầu bảo mật và hiệu quả Các phần quan trong nhất trong giao thức báo hiệu SS7 trong phạm vi của GSM, được minh hoạ trong hình 2.3. Hình 2.3: Mô hình phân lớp hệ thống báo hiệu SS7 Chú ý: Phần tô mầu xám liên quan tới các bản tin báo hiệu chuyển giao. Lớp thấp hơn của ngăn xếp giao thức SS7 (OSI lớp 1-3) được gọi là phần truyền dẫn bản tin MTP. Phần SCCP được xem như phần người sử dụng của MTP ẩn mình một ít trong lớp 3. SCCP cung cấp dịch vụ mạng phi kết nối và kết nối định hướng, chuyển đổi tên toàn cầu qua mức ba của MTP. Tên toàn cầu (GTT: Global Title Translation) là địa chỉ được chuyển đổi bởi SCCP thành mã địa chỉ đích và số hệ thống con. Duy nhất hệ thống con nhận dạng ứng dụng tại điểm báo hiệu đích. SCCP được sử dụng để chuyển đổi lớp cho dịch vụ cơ sở TCAP. Đặc trưng báo hiệu GSM trong giao diện A được thực hiện bởi phần ứng dụng hệ thống trạm cơ sở Base Station Subsystem Application Path (BSSAP). Phần này được chia thành 2 lớp: BSSMAP và DTAP. BSSMAP điều khiển, quản lý bản tin RR còn DTAP quản lý điều khiển bản tin MM và CC. BSSMAP bao gồm các bản tin được trao đổi giữa MSC và BSC mà trên thực tế thì được tiến hành bởi BSC. Ví dụ các bản tin PAGING, HND_CMD và RESET. DTAP bao gồm tất cả các bản tin trao đổi giữa hệ thống con của NSS và MS. Các bản tin này được truyền trong suốt qua BSS ngoại trừ 3 bản tin của MM là LOC_UPD_REQ, IMSI_DET_IND và CM_SERV_REQ. Điều này được minh hoạ dưới hình 2.4. Hình 2.4: Mối liên hệ của bản tin BSSMAP tới báo hiệu trong mạng GSM Cấu trúc bản tin của BSSAP: Hình 2.5 mô tả cấu trúc chung của các bản tin BSSAP. Toàn bộ bản tin BSSAP gắn vào trong một bản tin SCCP. 8 hoặc 16 bit đầu tiên của BSSAP để phân biệt giữa BSSMAP và DTAP. Phần đầu của DTAP dài 2 byte và bao gồm tham số phân biệt bản tin (01 = DTAP) và nhận dạng kết nối liên kết dữ liệu (DLCI). 3 bit Header của DLCI nhận dạng điểm truy cập dịch vụ (SAPI), nó được sử dụng trên giao diện Air (SAPI = 0 cho RR, MM và CC; SAPI = 3 cho SMS và SS). Hình 2.5: Định dạng bản tin BSSAP Phần Header của BSSMAP chỉ 1 byte và bao gồm chỉ là tham số nhận dạng bản tin (00 = BSSMAP). Trong BSSMAP không có octet DLCI. 8 bit chỉ thị độ dài cho biết chiều dài của trường dữ liệu, theo sau header trong cả hai trường hợp BSSMAP và DTAP. Hình 2.6 thể hiện cấu trúc bên trong của bản tin BSSMAP. Hình 2.6: Cấu trúc bên trong của các bản tin BSSMAP Trên thực tế các tham số theo sau kiểu bản tin MT là tuỳ ý, mổi tham số luôn bao gồm trường nhận dạng yếu tố thông tin IEI, trường chỉ thị độ dài, trường dữ liệu. Một số bản tin của BSSMAP: HND_RQD, HND_REQ, HND_RQD_ACK, HND_REQ_ACK, HND_CMD, HND_CMP, HND_FAIL, HND_DET, CLR_CMD, CLR_REQ, CLR_CMP ...vv. Giải mã bản tin BSSMAP: Hình 2.7 thể hiện bản tin CLR_CMD ở cả hệ hex và dạng đả giải mã. Những tham số này là 2 yếu tố thông tin: Thông tin Header lớp 3 và cause (lý do): Hình 2.7: Giải mã bản tin CLR_CMD Phần thông tin Header của lớp 3 bao gồm phân biệt giao thức PD và nhận dạng sự giao dịch TI chúng có ý nghĩa là để sử dụng trên giao diện Air. Phần 2 Cause (lý do của bản tin) nhận biết lý do tại sao tài nguyên vô tuyến riêng sẻ được giải phóng. Thông thường giá trị là 09 đại diện cho CC, chỉ ra rằng CC yêu cầu giải phóng kết nối khi cuộc gọi kết thúc và 0B chỉ ra rằng chuyển giao thành công. 2.1.2 Giao diện Abis Giao diện Abis kết nối BTS với BSC. Giao diện là phần cố định của mạng và giao tiếp thông qua bởi cáp thông thường. Điển hình là một liên kết PSM 30 (cũng như ISDN 30) được sử dụng với 32 kênh mỗi kênh 64kbps, cung cấp băng thông 2Mbps. Công nghệ nén cho phép GSM sử dụng các gói lên tới 8 kênh lưu lượng trên một kênh đơn 64kbps. Điều này cho phép tới 10 TRXs trong BTS, nhưng một đặc thù cài đặt là một BTS có 1 đến 4 TRXs. Khi sử dụng 2 liên kết ISDN 30, tối đa 16 TRXs có thể được cài đặt trên một BTS. Theo mô hình tham chiếu chuẩn OSI thì giao diện Abis sẻ được chia thành 3 lớp hình 2.8: Lớp 1 của giao diện Abis là kênh D của đường liên kết ISDN 30. ISDN 30 bao gồm 30 kênh B cho lưu lượng (mổi kênh 64 kbps) và một kênh D cho báo hiệu. Hình 2.8: Ngăn xếp giao thức của giao diện Abis Lớp 2 Giao thức trên kênh D mạng ISDN được GSM sử dụng giao thức LAPD cho báo hiệu trên giao diện Abis. Các nguyên tắc chung được quy định trong Q.920 (I.440) và các thủ tục được quy định trong Q.921 (I.441). Mục đích của các giao thức LAPD là tạo ra cơ chế truyền số liệu với khả năng đảm bảo không lỗi. Hình 2.9a và hình 2.9b là định dạng của khung LAPD kiêu 8 và 128. Trường FLAG: 8 bit đầu tiên và cuối cùng của mỗi khung LAPD là trường cờ, cờ mở và cờ đóng. Đặc điểm đầu tiên của trường này là luôn được đặt giá trị bằng 01111110 (7EH). Trường ADDRESS: Tiếp theo cờ mở là trường địa chỉ có độ dài 2 byte. Trường này chứa nhận dạng điểm truy cập dịch vụ SAPI và nhận dạng điểm kết cuối thiết bị TEI. Ở đây mỗi TEI tương đương với một TRX trong BTS. Trường CONTROL: Có 3 kiểu khung được định nghĩa trong LAPD. Trường điều khiển có nhiệm vụ thông báo cho thiết bị thu về kiểu thông tin đang được phát trong khung. Trường này cũng có hệ thống đánh số khung phát và thu tiếp theo (NS và NR). Độ dài của trường phụ thuộc kiểu LAPD. LAPD module 8 trường này sẻ có độ dài 8 bit, nếu LAPD module 128 trường này có độ dài 16bit. Trường INFO: Trường thông tin là nơi chứa thông tin lớp 3. Trường này có độ dài thay đổi phụ thuộc vào dữ liệu. Trường FCS: 2 byte cuối cùng ngay trước trường cờ kết thúc một khung LAPD là trường dãy kiểm tra khung. Hình 2.9a. Định dạng khung LAPD module 128 Có hai kiểu LAPD được sử dụng trong mạng GSM. LAPD Module 8 thì trường điều khiển chỉ có 8 bít trong đó 3 bit để biểu diển cho mổi N(R) hoặc N(S), còn LAPD module 128 thì trường điều khiển dài 16 bit và 7 bit dành cho mổi N(R) và N(S). Hình 2.9b : Định dạng khung LAPD module 8 Trường FLAG Tất cả các khung LAPD bắt đầu và kết thúc bằng trường FLAG, trường này luôn được đặt bằng 01111110 hay 7E16, mục đích đồng bộ là chỉ thị vị trí bắt đầu và kết thúc một khung. Vì số liệu trong trường thông tin có thể thay đổi chứa mẫu cờ 01111110 nên một bit 0 được chèn vào 5 bit 1 liên tiếp, chỉ có cờ này không được chèn để tránh việc nhầm lẩn đáng tiếc. Bên thu tìm cờ, toàn bộ số liệu không phải là mẫu cờ sẽ được đưa qua bộ xoá bit 0 để khôi phục lại chuổi dữ liệu ban đầu. Trường ADDRESS  Trường này có độ dài 2 octet và chứa các tham số: SAPI, TEI, C/R và EA. Nhận dạng điểm truy cập SAPI  BSC phải có khả năng đánh địa chỉ cho mỗi TRX riêng (hình 2.11). Hình 2.11. Kết nối liên kết dữ liệu trên kênh D Đánh địa chỉ trong LAPD được thực hiện trong 2 byte của trường địa chỉ. Địa chỉ được chia làm hai phần SAPI và TEI kết hợp với nhau để định hướng khung đi đến điểm kết nối logic chính xác. 6 bit nhận dạng điểm truy cập dịch vụ SAPI. Chức năng của SAPI tương tự như chức năng của hệ thống con SSN với SCCP. SAPI được dùng để định hướng thông tin trong khung LAPD đến phần thực thể logic chính xác. Một phần thực thể logic có thể được xem như là một khối phần mềm điều khiển một tập hợp các chức năng. Ví dụ về các chức năng là khởi tạo cuộc gọi, trả lời cuộc gọi, kết thúc cuộc gọi .... Tất cả các bản tin liên quan đến điều khiển cuộc gọi của các mạch đã định phải có cùng một SAPI nên định hướng bản tin đến thực thể logic chính xác.GSM sử dụng 3 giá trị của SAPI trong giao diện Abis cho dưới hình 2.12. SAPI cũng chỉ ra ưu tiên di chuyển của một bản tin. Giá trị SAPI_62 và SAPI_63 có được sự ưu tiên cao hơn là SAPI_0. Hình 2.12. Các giá trị SAPI Bít lệnh/đáp ứng C/R : Bit C/R (lệnh/đáp ứng) chỉ ra khung là khung điều khiển hay đáp ứng. Bít này sẻ cho biết một bản tin là lệnh, trả lời hay xác nhận của một lệnh. Khung lệnh do BSC gửi đến BTS và khung đáp ứng do BTS gửi đến BSC có C/R = 1, ngược lại khung lệnh do BTS gửi đến BSC và khung đáp ứng do BSC gửi đến BTS có C/R = 0 (hình 2.13). Hình 2.13 : Bit C/R với lệnh và đáp ứng Nhận dạng thiết bị đầu cuối TEI : 7 bit TEI được dùng để phân biệt giữa các TRX. Một TEI được gán cho mỗi TRX cung cấp khả năng phân biệt giữa các TRX trong khi phân tích một file xác định. Do có 7 bit nên tổng đài có thể phuc vụ 127 thiết bị. Các bít trường địa chỉ mỡ rộng : Trường địa chỉ gồm mỗi bit EA cho mỗi octet. Bit EA của octet thứ nhất được đặt bằng 0,nó chỉ ra rằng octet theo sau nó chính là một octet của trường địa chỉ và EA của trường thứ 2 được đặt bằng 1 nó chỉ rằng đó là octet cuối cùng của trường địa chỉ. Trường điều khiển Chiều dài của trường điều khiển phụ thuộc vào kiểu khung. 8 hoặc 16 bit. Nó bao gồm các thông tin sau: Bit đầu Polling (P), bit cuối Final (F) và bit P/F: Thay cho các kiểu khung mà có thể được dùng chỉ là lệnh tương ứng với bit P hay chỉ là đáp ứng tương ứng với bit F hay bit P/F là cho cả hai. Thông tin bit P nhận một bản tin lệnh mà bên gữi mong chờ một câu trả lời, còn nếu kiểu bản tin thông thường không muốn yêu cầu một xác nhận. Trên thực tế bit Polling trên giao diện Abis được dùng chỉ khi BSC và BTS ở trong trạng thái rỗi và cần kiểm tra kết nối định (ví dụ trao đổi của khung RR). Khi khung lệnh được nhận thì bit P được đặt bằng 1, khung trả lời cần được quay trở lại bit F được đặt lên 1. LAPD cho phép xác nhận của khung I khi này bit P được đặt bằng 0 với cả khung I và khung S. Tuy nhiên khung I, nơi bit P được đặt bằng 1 thì có được xác nhận cùng lúc với khung S. Bit P của khung UI luôn đặt bằng 0. Mà tại sao khung một khung UI mặc dù lệnh theo định nghĩa lại không được yêu cầu một xác nhận. Số tiếp theo gữi N(S) và số tiếp theo nhận N(R): N(S) và N(R) phục vụ mục đích của sự thừa nhận việc trao đổi và nhận của khung I. Cách thức đếm có thể là module 8 hay module 128. Trong trường hợp module 8, 3 bit sẻ được sử dụng cho bộ đếm, tính đến giá trị của các số khung giữa 0 và 7. 7 bit sẻ được sử dụng cho bộ đếm trong trường hợp module 128, tính đến các giá trị giữa 0 và 127. Trên giao diện Air (LAPDm) chỉ module 8 được sử dụng. Khi một phía (BSC hoặc BTS) gửi một khung I, bộ đếm N(S) bên gửi sẻ tăng lên 1. Nó thể hiện rằng giá trị N(S) trong khung I vừa mới gửi vẩn có giá trị cũ, giá trị chỉ tăng lên sau khung đả gửi. Khi khung I đến nơi nhận nó sẻ được kiểm tra để thấy nếu như giá trị nhận được của N(S) và N(R) phù hợp với những giá trị nhận được đả được lưu trước đó. Giá trị N(S) cho khung I được nhận để phù hợp với giá trị thực tế của N(R) bên nhận. Nếu khung cũng không có lỗi (FCS), bên nhận tăng giá trị của N(R) và gửi giá trị mới trong khung RR trở lại cho bên gửi. Phía bên gửi mong chờ xác nhận trong một khung thời gian được ghi rỏ. Nếu mà chu kỳ thời gian kết thúc không có xác nhận, khung I sẻ gửi lại. Chú ý rằng theo quy định Q920 và Q.921, sự xác nhận không phải mang bởi khung giám sát S nhưng cũng có thể mang bởi khung I. Bởi thế sự gửi một khung RR không cần thiết nếu như bên nhận cũng đả gửi một khung I. Tuy nhiên GSM không tạo ra cách dùng của sự lựa chọn ấy. Tất cả các khung I đều được xác nhận với một khung RR. Cho tới khi sự xác nhận đả được nhận, bên gửi cất khung I vào bộ đệm. Ví dụ dưới sẻ minh hoạ điều này. Chức năng của N(S) và N(R): BTS gửi một khung I và tăng bộ đếm N(S) của nó. BSC nhận khung I và tăng bộ đếm N(R) và gửi một khung RR với một giá trị của N(R) trở lại cho BTS. BTS không cần duy trì đệm khung I sau khi nó nhận xác nhận từ BSC. Tiếp theo BSC gửi một khung I tới cho BTS và tăng bộ đếm N(S) của nó lên 1. Một lần nữa chỉ ra rằng giá trị của N(S) và N(R) trong khung I được truyền tương ứng ngược lại tới một khung được lưu trong BTS. Khi BTS kiểm tra tính chắc chắn của thông tin và nếu mọi thứ đều đúng, bộ đếm N(R) của nó được tăng và gửi đáp ứng lại BSC với một khung RR và một giá trị mới của N(R). Thủ tục này được thể hiện trong hình 2.14. Hình 2.14: Chức năng của N(R) và N(S) Khung RR cần được trao đổi giữa BSC và BTS trong khoảng thời gian nào đó vì thế được gọi là trường hợp rổi, khi không có dữ liệu được truyền, giá trị của N(R) và N(S) không thay đổi trong quá trình đó, cái mà được gọi là phần đầu.Tuy nhiên chúng phải tưng ứng với chiều ngược lại tới mỗi cái khác. Kiểu khung: Có 3 kiểu của trường điều khiển khung LAPD (hình 2.9) như sau: Khung thông tin (I): các khung này có thể so sánh được với đơn vị tín hiệu bản tin MSU của SS7. Khung này được sử dụng để truyền các bản tin Q.931 (lớp 3 bản tin lớp mạng) hoặc X.25 trên kênh D. Chỉ duy nhất khung này sử dụng trường NS và NR. NS là số thứ tự của khung đang truyền, còn NR là số thứ tự của khung chờ đợi tiếp theo. Nhờ cơ chế này mà TE và LT giám sát được các khung bị mất. Các khung giám sát (S) : Điều khiển việc trao đổi các khung I. Nó được dùng để xác nhận các khung I, thông tin điều khiển truyền, yêu cầu truyền lại các khung I bị mất trên cơ sở NS và NR. Có 3 kiểu khung S được xác định bằn các bít S. Khung này không có trường thông tin và có thể so sánh với những đơn vị trạng thái liên kết (LSSU) của SS7. Khung không được đánh số U : Có 7 loại khung U, các khung U được dùng để thiết lập và giải phóng các kết nối logic, xác định các tham số liên kết số liệu và chỉ thị các lỗi không thể sữa chữa sau khi truyền lại. NS và NR không được dùng ở khung này. Bít M đung để xác định kiểu khung U. Chỉ khung UI duy nhất trong nhóm các khung U là có trường thông tin, mang bản tin lớp mạng. Khung UI có TEI =127 mang thông tin quảng bá tới tất cả các TE trên đường DSL. Hình 2.15: Các kiểu khung của LAPD Hình 2.15 là toàn bộ các khung của LAPD các giá trị ở hệ 16 đi kèm để nhận dạng khung. Ở khoá luận này chúng ta chỉ quan tâm tới hai khung có liên quan tới quá trình chuyển giao là khung UA và khung SABME. Dưới đây ta sẻ đi tìm hiểu chi tiết hai khung này. Hình 2.16: Dữ liệu chứa hệ 16 chứa trong khung LAPD chỉ thị khung Khung SABME: Khung này được truyền để yêu cầu một kết nối lớp 2. Hình 2.17: Trường điều khiển của khung SABME Khung UA : Khung UA được sử dụng để trả lời khung SABME hoặc khung DISC. Nó xác nhận một kết nối lớp 2 tồn tại đả được thiết lập. Hình 2.18: Trường điều khiển của khung UA Trường kiểm tra tổng (FSC): Trường liên tục kiểm tra khung FSC được sử dung cho việc dò tìm lổi. Kiểm tra tổng sẻ được tính toán, sử dụng dữ liệu giữa cờ bắt đầu và trường FSC. Kết quả gửi trong trường FSC. Quá trình hoạt động tương tự được thực hiện tại đầu nhận và giá trị của các FSC tương ứng được so sánh. Bên nhận sẻ yêu cầu truyền lại nếu như việc tính toán FSC không phù hợp với cái nhận được. Hình 2.19: Liên tục kiểm tra khung Lớp 3 chia thành 4 lớp con: quản lý TRX (TRX Management), quản lý kênh chung (CCM), quản lý liên kết vô tuyến (RLM) và quản lý kênh chuyên dụng (DCM). Lớp con TRXM được sử dụng để chiếm lấy các TRX vào trong và ngoài của dịch vụ và điều khiển các trạng thái của chúng. CCM được sử dụng cho bản tin quảng bá cho sự tồn tại của cell, ví dụ như một MS (mạng cố gắng để kết nối tới MS, khi nó được gọi hoặc một bản tin SMS được nhận), SMS quảng bá, và thông tin về cell. RLM là cho điều khiển lớp 2 của liên kết vô tuyến giữa MS và BTS. Điều này bao gồm thiết lập và giải phóng kế nối. DCM được sử dụng cho điều khiển lớp 1 của giao diện Air như việc chuyển giao, đo lường, phân/lấy lại kênh và cài đặt mã hoá. RLM và DCM chỉ được sử dụng cho hoạt động liên kết trên giao diện Air, nơi đó không giao tiếp trên chúng trong chế độ rỗi. Hình 2.8 thể hiện ngăn xếp giao thức của giao diện Abis. Phần trên cùng của lớp 3, dữ liệu tải trọng được chuyên chở. Giao diện Abis được sử dụng hầu hết cho sự trao đổi của các bản tin RM, CC, và MM được miêu tả trong phần giao diện Air. Giao diện Abis nói rỏ chi tiết hơn trong chương sau. 2.1.3 Giao diện Air/Um Giao diện không khí là giao diện vô tuyến giữa MS và BTS. Giao diện này được so sánh khác nhiều với các giao diện khác, bởi vì giao tiếp vô tuyến là giao diện mở rất nhạy cảm với sự xâm nhập từ ngoài hơn là với cable, nhưng đổi lại được băng thông lớn. Giao thức lớp 2 trên giao diện Um được gọi là LAPDm (LAPD mobile). Đây là một cải tiến của LAPD. Sự khác nhau giữa LAPD và LAPDm là chổ phát hiện và sữa lỗi ở Um được thực hiện ở chức năng lớp 1. Một điểm khác nhau nữa là các khung LAPD có thể dài hơn nhiều so với các bản tin của LAPDm vì khung của LAPDm phải hiệu chỉnh để đặt vừa các cụm (burst). Hình 2.20: Các lớp giao thức của giao diện Air Lớp 1: Lớp vật lý Lớp thấp nhất của giao diện vô tuyến cung cấp các chức năng cần thiết để truyền các luồng bit trên các kênh vật lý ở môi trường vô tuyến, bao gồm các phần tử được định nghĩa cho truyền dẫn trên kênh vô tuyến như: tần số, khe thời gian, nhảy tần. Ở giao diện này các bản tin được gửi đi liên quan đến ấn định các kênh vật lý (thâm nhập ngẫu nhiên) cũng như các thông tin hệ thống vật lý như các kết quả đo kiểm. Lớp này có các chức năng như: Mã hoá kênh để sửa lổi FEC Mã hoá kênh để phát hiện lỗi Sắp xếp các kênh lô gic lên các kênh vật lý Mật mã hoá Chon ô ở chế độ rỗi Thiết lập các kênh vật lý riêng Đo cường độ trường của các kênh riêng và cường độ trường của trạm BTS xung quanh Thiết lập định trước thời gian và công suất theo sự điều khiển của mạng Cũng như dữ liệu người dùng các bản tin báo hiệu được truyền qua giao diện Abis giữa BTS với BSC, giao diện A giữa BSC với MSC trên đường dây số với tốc độ dữ liệu 2048Kbps(1544Kbps ở USA) hay 64Kbps (ITU G703, G704, G732). Giao diện với lớp 3, đây là một giao diện trực tiếp, RR thông qua những bản tin giao thức nguyên thuỷ MPH (là những bản tin giữa những giao thức trong một điểm báo hiệu được thông qua những yếu tố giao diện được tiêu chuẩn hoá như là bản tin request, respose thông qua thông tin từ giao thức lớp cao tới giao thức lớp thấp và indications, confirmation thông qua thông tin trong hướng đối diện ), những thay đổi bên lớp RR liên quan tới chức năng như gán kênh và kết quả đo kiểm tra kênh, việc đo ở đây là do lớp 1 đảm nhiệm đo chất lượng báo hiệu của kênh BCCH các trạm BTS lân cận và chất lượng báo hiệu của chính BTS đang phục vụ. Thông tin đo lường được đưa tới lớp 3 trong cơ sở dịch vụ đo lường lớp 3. Trong chế độ rổi, lớp 1 lựa chọn Cell (BTS) với chất lượng báo hiệu tốt nhất hoạt động cùng cơ sở lớp con RR trên dịch vụ của BCCH/CCCH. Thủ tục báo hiệu điểm - điểm GSM định nghĩa và phân biệt hai kiểu vận hành của một trạm di động: kiểu rổi và kiều dò tìm (hình 2.21). Ở kiểu rỗi trạm di động có thể tắt nguồn (trạng thái NULL) hoặc dò tìm đo BCCH với chất lượng tốt nhất (trạng thái SEARCHING BCH) hoặc đồng bộ hoá BCCH của trạm cơ sở đặc biệt và sẵn sàng để thực hiện thủ tục truy cập ngẫu nhiên trên RACH để yêu cầu kênh dò tìm BCH trạng thái. Hình 2.21: Sơ đồ trạng thái lớp vật lý của trạm di động TUNING DCH trạng thái của kiểu dò tìm, trạm di động thực hiện kênh vật lý và cố gắng đồng bộ nó với kết quả cuối cùng truyền tới DCH trạng thái. Ở trạng thái này, MS sẵn sàng để thiết lập kênh logic và chuyển mạch chúng, Trạng thái truyền của lớp 1 được điều khiển bởi cơ sở dịch vụ MPH của giao diện RR. Giao diện với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) thông qua các hàm PH nguyên thuỷ. Và giao diện với các khối chức năng khác trong MS và trong mạng qua kênh TCHs. Hình 2.22: Giao diện của lớp vật lý với các lớp trên Điểm truy cập dịch vụ (SAP: Service Access Point) của lớp này được định nghĩa như là các cổng (Gates) truyền thông mà qua đó lớp này cung cấp dịch vụ cho lớp cao hơn (lớp 2). Tồn tại các cổng khác nhau cho các bản tin ngắn và cho các bản tin của lớp đường truyền. Trong GSM, SAP được định nghĩa giữa lớp vật lý và lớp liên kết giữ liệu cho các kênh BCCH, PCH+AGCH, RACH, SDCCH, SACCH và FACCH. SAP được điều khiển bởi lớp con RR của lớp 3 (lớp quản lý, thiết lập và giải phóng kênh), xa hơn bởi thủ tục điều khiển trong lớp liên kết. Điều khiển SAP lớp 1 bởi RR bao gồm: hoạt động, không hoạt động, cấu hình, định tuyến, không kết nối của lớp vật lý và kênh logic. Lớp 1 định nghĩa cấu trúc khung riêng cho truyền dẫn của bản tin báo hiệu thực hiện như khung LAPDm tại SAP của kênh logic tương ứng hình 3.23. Hình 2.23: Cấu trúc khung dử liệu LAPDm Khung RACH chứa đựng một loại tiêu đề giao thức mang mức công suất nguồn và giá trị tăng thời gian định thời. Tiêu để này bị bỏ sót trong kênh logic khác (FACCH, SDCCH, CCCH, BCCH) và chứa LAPDm PDU. Lớp 2: lớp liên kết dữ liệu Mục đích chính của giao thức lớp 2 là cung cấp kết nối liên kết tới tổng đài báo hiệu giữa MS, BTS, MSC, VLR, HLR, và mạng SSN07. Trong GSM, có 3 kiểu giao thức lớp 2 được sử dụng như trong hình 1 đó là: LAPDm(giao thức truy cập cho kênh báo hiệu) trên giao diện Um, LAPD trên giao diện A-bis và MTP-2 cho các giao diện A,B,C,D của kênh báo hiệu. LAPDm được xây dựng trên cơ sở giao thức LAPD của ISDN. Tuy nhiên có một vài thay đổi cho phù hợp với môi trường truyền dẫn vô tuyến và để đạt được hiệu suất cao hơn trong việc tiết kiêm phổ tần. Không sử dụng các bit kiểm tra tổng vì mã hoá kênh ở lớp 1 đã thực hiện chức năng này. Do vậy sự hoạt động của lớp này là hoàn toàn được đồng bộ. Một số khung điều khiển khác như SABM và UA có thể mang thông tin lớp 3 nhờ vậy tiết kiệm thời gian và phổ. Thủ tục này được gọi là Pigg-Backing (cõng nhau). Các bản tin LAPD có thể dài tới 249 byte vì thế chúng được phân đoạn cho phù hợp với cấu trúc Bust. Chức năng chi tiết của lớp 2 LAPDm được cho như sau: Thiết lập và giải phóng kết nối báo hiệu của lớp 2 Hợp kênh và phân kênh của một vài kết nối báo hiệu lớp 2 trên một kênh điều khiển chuyên biệt và phân biệt rõ giữa chúng bởi bao gồm sự khác nhau của SAPI (Service Access Point Identifiers). Ánh xạ của dịch vụ khối dữ liệu báo hiệu lớp 2 trên giao thức khối dữ liệu. Sự đánh số của giao thức khối dữ liệu modul 8 để bảo trì thứ tự liên tục Tìm kiếm và sữa lỗi Điều khiển luồng Sự thiết lập và giải phóng của kết nối lớp 2 trùng với sự định xứ, giải phóng và thay đổi của kênh vô tuyến chuyên biệt. Kết nối báo hiệu lớp 2 thường xuyên được thiết lập và giải phóng chính vì thế mà thời gian tồn tại của một kết nối là ngắn. LAPDm là giao thức liên kết dữ liệu cho kênh báo hiệu tại giao diện không khí. Nó tương tự HDLD và cung cấp 2 kiểu vận hành (hoạt động): Vận hành không nhận biết (không xác nhận) Vận hành nhận biết (xác nhận) Cả hai kiểu đều được sử dụng trên kênh DCCH còn kênh CCCHs thì chỉ hoạt động không nhận biết là được dùng. Vận hành không xác nhận, dữ liệu được truyền trong khung UI không có sự xác nhận, đây là điều khiển không hướng hay sữa lỗi đúng L2. Kiểu vận hành này không cho phép tất cả các kênh báo hiệu, ngoại trừ RACH được truy cập trong kiêu truy cập không dành riêng hay bảo vệ. Việc truyền một bản tin không xác nhận sử dụng dịch vụ của lớp 3 hàm ý cho việc truyền thông tin là không nhận biết bởi lớp liên kết dữ liệu (lớp 2), vì vậy kiểm tra lổi là không cần thiết phải cung cấp. Truyền và nhận bản tin ở đây sử dụng dịch vụ nguyên thuỷ của liên kết dữ liệu đó là: DL_DATA_REQUEST và DL_DATA_INDICATION. Kiểu dịch vụ không xác nhận cung cấp dịch vụ bảo vệ. Dữ liệu được truyền trong khung I với xác nhận dương. Bảo vệ lỗi thông qua truyền ARQ và điều khiển định hướng là đặc biệt và tích cực trong kiểu này. Dịch vụ này được cung cấp tới lớp mạng bởi chế độ hoạt động đa khung. Khối bản tin nhận hoặc truyền sẻ lại được thay đổi một lần nữa giữa lớp 2 và lớp 3 bằng giá trị trung bình nguyên thuỷ DL_DATA_REQUEST và DL_DATA_INDICATION. Trong LAPDm, các điểm kết nối (CEP: Connection End Poit) của kết nối L2 được dán nhãn với nhận dạng kết nối liên kết dữ liệu (DLCI: Data Link Connection Identifier) bao gồm các phần tử: Nhận dạng điểm truy cập dịch vụ lớp 2 (SAPI: Service Access Point Identifer) được truyền trong tiêu đề của khung giao thức L2. Nhận dạng kênh vật lý được kết nối tại lớp 2 hoặc được thiết lập là nhận dạng điểm cuối kết nối (CEPI: Connection End Point Identifer) lớp 2. CEPI được quản lý và không kết nối tới mổi lớp 2. Khi một bản tin lớp 3 được truyền, bên gửi chọn lựa SAP và CEP thích hợp. Khi đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU: Service Data Uinit) được chuyển giao tại SAP, lựa chọn CEP được gửi tới lớp 2 lớp 2 CEPI tưng thích có thể được xác nhận từ nhận dạng kệnh vật lý / logic và SAPI trong tiêu đề của khung. Hình 2.24: Cấu hình mẫu của lớp liên kết dữ liệu MS Giá trị SAPI đặc biệt được lưu trữ cho hai chức năng sau: SAPI = 0 cho báo hiệu (CM, MM, RR) SAPI = 3 cho SMS Giá trị SAPI phục vụ bản tin báo hiệu riêng từ định hướng gói dữ liệu người dùng (bản tin SMS). Giá trị một SPAI mới cần thiết các chức năng có thể định nghĩa được, giải thích trong cho chuẩn GSM trong tương lai. Hình 2.25: Các kênh logic, kiểu vận hành và SAPI lớp 2 Một LAPDm được thiết lập mỗi kênh vật lý / logic thích hợp. Kênh / SAPI kết hợp duy nhất thiết lập con của giao thức LAPDm được cần như vận hành không xác nhận. Việc phân đoạn khung LAPD để có khung LAPDm là thích hợp với một khối vật lý dài 23 octets. LAPDm cho phép thủ tục liên kết dữ liệu như chức năng của lớp 2 truyền thông điểm - điểm tương tự cơ sở dịch vụ giữa lớp liền kề. Mặt khác thủ tục lớp 2 là thủ tục phân biệt (Distribution Procedure) và thủ tục truy cập ngẫu nhiên (RA: Random Access). Thủ tục phân biệt cần thiết nếu nhiều SAP liên kết với kênh vật lý / logic. Nó cho phép phân biệt các khung lớp 2 nhận được trên một kênh truy cập ngẫu nhiên RACH. Nó giải quyết truyền lại điều khiển ngẫu nhiên của bus truy cập ngẫu nhiện. Nhưng nó cho phép bảo vệ lỗi trên RACH theo một phương duy nhất. Hình 2.26: Các kiểu định dạng khung LAPDm Hình 2.26 là các kiểu định dạng khác nhau của khung dữ liệu giao thức sử dụng cho truyền thông điểm - điểm lớp 2 giữa MS và BTS. Định dạng khung A và khung B được sử dụng trên kênh SACCH, FACCH, SDCCH phụ thuộc vào nơi khung thông tin có trường kiểu B hoặc không phải kiểu A, ở đây khung A không có trường thông tin. Định dạng khung B sử dụng trên CCCHs nó có trường thông tin. Trái với HDLC, LAPDm không có cờ chỉ thị bắt đầu hay kết thúc một khung. Số lớn nhất của octet N201 trên trường thông tin phụ thuộc vào kiểu kênh logic. Kết thúc của trường thông tin cho bởi đọ dài một giá trị N201 it hơn quy định, khung đó phải bổ sung với các bit làm đầy để đủ chiều dài khung. Trong trường hợp một kênh SACCH, ví dụ ở đây là tiện ích một gói LAPDm chiều dài cố định là 21 octet. Bao gồm trường cho điều khiển công suất truyền và tăng định thời, một khối SẠCCH lớp 1 dài 23 octets. Trường địa chỉ có thể có độ dài thay đổi, tuy nhiên sử dụng cho kênh điều khiển nó gồm một octet (hình 2.27). Hình 2.27: Đinh dạng và kiểu khung LAPDm Trường địa chỉ: Bit 1 là bit mở rông EA được đặt bằng ‘1’. Trong tương lai nó có thể sử dụng bit ‘0’ cho dung lượng địa chỉ nhiều octet. Bit 2 bit C/R (Command/Response) cờ lệnh/ trả lời. MS sẻ gửi một lệnh với bit C/R là ‘0’ còn BTS trả lời với bit C/R là ‘1’. Ba bit SAPI xác định tiến trình mức 3 nếu sử dụng 3 bit zero “000”. SAPI là “011” thì xác định và trình diễn truyền của bản tin SMS. Hai bit LPD (Link Protocol Discriminator) được sử dụng để xác định một khuyến nghị đặc biệt của LAPDm được sử dụng, ở trường hợp này LPD = 00. LPD = 01 được sử dụng cho giao thức liên kết dữ liệu cho SMSCB. Bít 8 dành riêng cho tương lai. Trường điều khiển: Trường điều khiển Control sử dụng cho điều khiển thông tin như: kiểu khung, sự sắp xếp của khung và sự nhận biết khung. Trong LAPDm, mã hoá của trường điều khiển với số thứ tự gửi và nhận mô tả biểu đồ trạng thái thủ tục giao thức hoặc nét riêng liên quan tới HDLC. Chi tiết trường điều khiển được thể hiện trong hình 2.27. Trường này mang theo một dãy số và xác định kiểu của khung, không có C/R. Đối với khung I thì bao gồm cả hai bộ đếm N(R) và N(S) còn đối với khung giám sat S thì chỉ có bộ đếm N(R). Kiểu định dạng của trường điều khiển: Truyền thông tin không đánh số (định dạng khung I). Định dạng khung I là được sử dụng để thực thi và truyền thông tin giữa thực thể lớp 3. Mỗi khung I có một số thứ tự gửi N(R). Chức năng giám sát (khung S). Định dạng khung S là cho chức năng điều khiển giám sát liên kết dữ liệu như nhận biết khung I. Truyền thông tin không đánh số và chức năng điều khiển (khung U). Định dạng khung U được sử dụng để cung cấp chức năng điều khiển liên kết dữ liệu và không xác nhận thông tin truyền. Trường chỉ thi độ dài: Trường chỉ thị độ dài xác định dộ dài khung, nó quản lý việc nhồi bit. Một vài thông số bổ sung được yêu cầu tại giao diện dịch vụ lớp 3. Chi tiết trường chỉ thị độ dài thể hiện trong hình 2.27. Bit mở rộng EL bit này luôn được đặt bằng “1”. Tương lai có thể sử dụng bit 0 để chỉ dẫn một độ dài nhiều octet. Bit 1 bit M sử dụng để chỉ báo khi thêm dữ liệu. Khi bit này được dật bằng 0 có nghĩa là không có khung nào được thêm vào tiếp theo. Và ngược lại khung trình diện là khung trước của dữ liệu. 6 bit còn lại chỉ thị độ dài thực tế của trường thông tin. Giá trị mảng là từ 0 đến N201. Trường thông tin: Cả 3 định dạng khung của trường thông tin mang dữ liệu báo hiệu chiều dài của trường phụ thuộc thông tin trong đó. Giới hạn chiều dài cuả trường là N201 = 23 octet. Sự khác nhau giữa LAPD và LAPDm: Dưới đây là các đặc điểm khác nhau giữa LAPD và LADPm: Khung LAPDm chỉ tồn tại định dạng module 8. Do đó trường điều khiển của nó luôn có chiều dài là 1 octet. N(S) và N(R) trong mảng từ 0 tới 7. Trường địa chỉ của LAPDm chỉ dài 1 octet và không bao gồm TEI. Lý do là khi một kênh được ấn định rồi, kết nối trong giao diện Air luôn luôn là kết nối điểm - điểm. Ví dụ một vài người dùng có thể sử dụng đồng thời cùng lúc. Trên giao diện này không tồn tại kiểu kết nối điểm – đa điểm nên không có TEI như trong LAPD. Khung LAPDm không tồn tại FCS, bởi vì việc mã kênh và ghép xen của lớp 1 đả đảm bảo việc bảo mật rồi. Khung LAPDm không có trương flag để nhận dạng điểm bắt đầu và kết thúc của một khung. Chức năng đó được cung cấp trên giao diện Air bởi lớp 1, đặc biệt bởi từng đoạn burst. Khác với LAPD, khung SABME và UA của LAPDm có thể ngang hàng với dữ liệu lớp 3. Thời gian tiết kiệm đó trong khi cài đặt kết nối. Chiều dài giới hạn của LAPD và LAPDm là khác nhau. Trong khi LAPD có thể truyền tới 260 octet thông tin báo hiệu, thì LAPDm chỉ có thể là 23 octet. Nếu tổng số chiều dài của dữ liệu cần được truyền vượt quá 23 octet, thì sự phân đoạn dữ liệu để truyền sẻ được áp dụng. Khung LAPDm không báo gồm trường chỉ thị độ dài (lớp 2). Trong LAPD, không chiếm hết trong các octet được dùng khi vùng dữ liệu không hoàn chỉnh với dữ liệu báo hiệu. Các kiểu khung của LAPDm cũng tương tự như các kiểu khung của LAPD. Lớp 3 Phân biệt giao thức (PD): Bộ phân biệt giao thức dài 4 bit được sử dụng trên giao diện Air để phân biệt tất cả bản tin trong các nhóm. Hình 2.28a: Giá trị bộ phân biệt giao thức trên giao diện Air Lớp báo hiệu đảm bảo các thủ tục báo hiệu giữa trạm di động và mạng và được chia thành 3 lớp con: RR, MM và CM. Hình 2.28b: Định dạng lớp 3 trong giao diện Air Quản lý tài nguyên vô tuyến RR: Giao thức RR này cung cấp các chức năng quản lý điều khiển cho hoạt động của kênh chung và kênh chuyên biệt. Giao thức RIL-RR cung cấp sự thiết lập và giải phóng kết nối vô tuyến giữa MS và BSCs khác nhau cho suốt một cuộc gọi trong khi người dùng vẩn di chuyển. Các chức năng được lớp này thực hiện bao gồm: Thiết lập chế độ mã hoá Thay đổi kênh dành riêng khi vẩn ở ô cũ như: từ SDCCH đến kênh lưu lượng Chuyển giao từ một Cell này đến một Cell khác. Định nghĩa lại tần số (sử dụng cho nhảy tần) Hệ thống cung cấp các bản tin quảng bá, bên trong và bên ngoài Cell về sự thay đổi của kênh và thiết lập chế độ mã hoá. Giao thức RSM cung cấp các chức năng RR giữa các BTS và BSC. Giao thức DTAP cung cấp bản tin RR giữa MS và MSC. Sự phân biệt giữa DTAP và BSSMAP được cung cấp bởi một bản nhỏ giao thức phân phối. Ở mạng các bản tin của lớp này được đặt trong BSC. Các bản tin này được truyền trong suốt qua BTS. Quản lý di động MM: Lớp nà chứa các chức năng liên quan đến di động của thuê bao như: Nhận thực. Ấn định lại TMSL. Nhận dạng trạm di động bằng cách yêu cầu IMSI hay IMEI. Hình 2.29a: Định dạng IMSI Hình 2.29b: Định dạng IMEI Trạm di động có thể thực hiện dời mạng IMSI để thông báo rằng không thể đạt tới trạm này vì thế các cuộc gọi vào sẽ được mạng chuyển hướng hoặc chặn chứ không tìm gọi trạm di động nói trên. Các bản tin tới từ lớp CM được truyền trong suốt bởi MM. CM ở phía phát yêu cầu thiết lập MM và MM lại yêu cầu thiết lập đầu nối RR. Quản lý nối thông CM: Lớp này bao gồm 3 phần tử: Điều khiển cuộc gọi CC cung cấp các chức năng và thủ tục để điều khiển cuộc gọi ISDN, các chức năng và thủ tục này đã được cải tiến để phù hợp với một trường truyền dẫn vô tuyến. Việc thiết lập lại cuộc gọi hay thay đổi trong qua trình gọi các dịch vụ mạng chẳng hạn thay đổi từ tiến sang số liệu là hai thủ tục đặc biệt mới trong CC. CC cũng chứa các chức năng cho các dịch vụ bổ sung đặc biệt như: báo hiệu giữa những người sử dụng. Phần tử đảm bảo các dịch vụ bổ sung SS xử lý các dịch vụ bổ sung không liên quan đến cuộc gọi như: chuyển hướng cuộc gọi khi không có trả lời, đợi gọi ... Phần tử đảm bảo dịch vụ bản tin ngắn SMS cung cấp các giao thức để truyền các bản tin ngắn giữa mạng và một trạm di động. Ngoài các giao thức trên còn có các giao thức khác như MTP3, SCCP, TCAP. TCAP hổ trợ nhiều cho việc giải quyết giữa hai node mạng. TCAP quản lý sự giải quyết trên một cơ sở kết thúc-kết thúc. Giao thức MAP được sử dụng giữa MSC, VLR, HLR, và AUC bên trong khung câu hỏi và bản tin trả lời. Giao thức này được thiết kế như MAP/B thông qua MAP/H. 2.2 THỦ TỤC TRONG MẠNG GSM Nhiều sự thách thức trong thiết kế của mạng di động được quan tâm với sự di động của những MS. Trong phần này chúng ta mang một sự thể hiện thân thiện của một vài thủ tục quan trọng nhất chú ý tới tính di động trong mạng. Thủ tục được giới thiệu theo trật tự: mở nguồn Power ON, gán và tách ra IMSI, cập nhật vị trí và chuyển giao. Gíới thiệu về chuyển giao bao gồm nhiều chi tiết hơn những cái còn lại của thủ tục. 2.2.1 Bật tắt máy ở trạm di động Khi MS mới bật nguồn nó phải thực hiện đăng ký lần đầu để nhập mạng. Quá trình được thực hiện như sau: Trước hết trạm MS quét để tìm được tần số đúng ở kênh FCCH (Kênh hiệu chỉnh tần số) Sau đó tìm đến kênh đồng bộ SCH để nhận được khung TDMA cho đồng bộ. Cuối cùng nó thực hiện cập nhật vị trí để thông báo cho VLR phụ trách HLR về vị trí của mình. Các cơ sở dữ liệu này sẻ ghi lại LAI hiện thời MS. Giống như ở cập nhật vị trí bình thường thông tin về LAI được MS nhận từ kênh BCCH. Bắt đầu từ lúc MSC/VLR công nhận là MS tích cực và đánh dấu cờ “truy nhật tích cực” vào trường dữ liệu của mình. Cờ này gắn với một số nhận dạng thuê bao: IMSI. Khi tắt nguồn một trạm MS hoặc lấy SIM ra sẻ xảy ra quá trình rời bỏ IMSI. Các trao đổi báo hiệu trong trường hợp này được thực hiện như sau: MS yêu cầu một kênh báo hiệu để phát đi bản tin thông báo cho mạng rằng MS chuẩn bị vào mạng trạng thái không tích cực. Điều này có nghĩa rằng mạng không thể đạt đến MS nữa. MSC sẽ gửi bản tin IMSI đến VLR, bản tin này không được trả lời công nhận vì MS sẽ không nhận được trả lời này, VLR sẽ thiết lập cờ rời bỏ IMSI và từ chối các cuộc gọi đến trạm MS này. Thông tin rời bỏ IMSI có thể được lưu giữ tại VLR tuỳ chọn cờ rời, mạng có thể cũng được thiết lập ở HLR và xác nhận được gửi trở lại VLR. 2.2.2 Gán và tách IMSI Khi MS tắt, thủ tục tách lấy IMSI phải được thực hiện. Từ điểm nhìn của MS, thủ tục tách lấy IMSI được thực hiện bằng cách gửi một bản tin tách lấy IMSI không được xác nhận tới BSS. Nếu bản tin được nhận, MS bị để ý và không tới được HLR. Khi MS được gọi, lúc đó không cần liên hệ với BTS cũ (từ LA nhận biết trong HLR) chỉ tìm thấy rằng MS không thể tới được. Thủ tục tách lấy IMSI có thể cũng được thực hiện ngầm bởi mạng nếu MS thất bại khi cập nhật định kỳ. Nó không bắt buộc sử dụng thủ tục tách lấy IMSI nhưng hầu hết các bộ điều khiển chọn việc này. Thủ tục cũng có thể được thực hiện trong hoàn cảnh khác. Một MS phải sử dụng thủ tục này để rời khỏi nạng GSM khi tham gia mạng khác. Thủ tục gán IMSI được sử dụng để báo tin cho mạng, rằng MS có thể được sử dụng trở lại. Thực tế báo hiệu chỉ là việc cập nhật vị trí và nó là không thường xuyên được coi như một thủ tục có thực. Gán IMSI sẻ được trình bày phần dưới. 2.2.3 Cập nhật vị trí a. Cập nhật vị trí trong BSS MS thực hiện việc cập nhật vị trí (LU) với một vài nguyên nhân. Cập nhật vị trí xãy ra khi trạm di động đang ở trạng thái rổi nhưng nó di chuyển từ một vùng định vị này sang vùng định vị khác. Khi này trạm di động phải thông báo cho mang về vị trí mới của nó để mạng ghi lại vị trí mới vào VLR hoặc nếu cần thiết vào HLR (khi chuyển sang vùng phục vụ MSC mới). Thông tin để thực hiện cập nhật vị trí dựa trên LAI được thông báo thường xuyên từ BCCH của mỗi ô. Hình 2.30a: Cập nhật vị trí trong BSS Đầu tiên MS yêu cầu một kênh điều khiển từ BSC bằng cách gửi bản tin CHAN_REQ tới BTS, BTS sẽ mã hoá bản tin tính toán khoảng cách giữa MS và BTS (dựa vào thời gian đề xuất) và chuyển tiếp tất cả thông tin tới BSC bao gồm cả thông tin ban đầu của MS và cả thông tin mà BSC thêm vào. Tiếp theo BTS sẽ gửi một bản tin CHAN_RQD tới BSC sau khi bản tin này được nhận và xử lý, BSC sẽ truyền cho BTS thông tin về kiểu kênh, số kênh đã được nó dành riêng cho bằng bản tin CHAN_ACT. BTS xác nhận và xử lý bản tin CHAN_ACT rồi đáp lại bằng bản tin CHAN_ACT_ACK BSC sẻ gửi một bản tin IMM_AS_CMD bản tin này đả kích hoạt kênh dành riêng trước đó. BTS gửi thông tin này qua kênh AGCH cho MS. MS tìm thấy IMM_ASS_CMD của nó bởi những yêu cầu tham chiếu mà nó đã chứa sẳn trong bản tin CHAN_REQ. Ở lớp 2 kết nối LAPDm đã sẵn sàng được kích hoạt. MS sẽ gữi một bản tin SABM tới BTS, ở trường hợp này là bản tin LOC_UPD_REQ. Đây là một bản tin yêu cầu cập nhật vị trí. Hình 2.30b: Cập nhật vị trí trong BSS BTS xác nhận một kết nối LAPDm được thiết lập bằng cách gửi một bản tin UA trả lời MS bản tin mang nội dung của bản tin MS yêu cầu. Đồng thời nó chuyển bản tin này tới BSC. Đây là một thông báo MM trong suốt nhưng BSC vẫn xữ lý vì BSC khác vẫn yêu cầu lớp thông tin ký hiệu này từ BS. Sau khi xử lý xong BSC đóng gói LOC_UPD_REQ và LAC hiện thời với CI vào trong một bản tin có nhản là CL3I (Chú ý là trong LOC_UPD_REQ từ BS vẫn chứa LAC, CI cũ), sau đó gữi nó cùng với bản tin SCCP (đây là một thông điệp yêu cầu thành lập một kết nốí) (bản tin CR) tới MSC. Nếu MSC có khả năng đáp ứng kết nối SCCP thì yêu cầu CR được đáp lại bằng bản tin CC (Connection Confirmed). Và kể từ thời điểm này một kết nối logic được thành lập từ MS tới MSC/VLR. MSC/VLR trả lời LOC_UPD_REQ bằng một bản tin AUTH_REQ. Bản tin này chuyển tới BSC thông qua kết nối SCCP đã được thiết lập và tiếp tục chuyển tới BTS rồi tới MS. Nội dung bản tin là những tham số ngẫu nhiên, những tham số quan trong nhất đối với quá trình cập nhật vị trí. MS (chính xác hơn đó là SIM) sau khi nhận được bản tin RAND (số ngẫu nhiên 128bit) từ mạng và kết hợp với khoá mã Ki được lưu trong SIM thông qua giải thuật A3 cho ta SRES 13bit và MS dùng nó gửi trong bản tin AUTH_RSP tới MSC/VLR, đây là một bản tin trong suốt. VLR sẽ so sánh SRES với giá trị được cung cấp bởi HLR. Hình 2.30c: Quá trình nhận thực trong GSM Hình 2.30d: Cập nhật vị trí trong BSS MSC/VLR sẻ kiểm tra thông tin SRES nếu chứng thực nó sẻ gửi thông tin tới MS và BTS. BTS sau khi nhận được bản tin sẽ giải phóng một phần bản tin ENCR_CMD (nó là khoá mã Kc), bản tin này sau đó được thuật toán A4 biến thành chuổi ngẩu nhiên và gửi các bản tin CIPH_MOD_CM tới MS. MS xác nhận bằng cách gửi bản tin CIPH_MOD_COM tới BSC và được BSC xử lý chuyển thành bản tin CIPHER_MODE_CMP tới MSC/VLR mã hoá để kích hoạt. Nếu thiết bị kiểm tra là tích cực thì MSC/VLR sẽ gửi bản tin IDENT_REQ trong suốt qua BTS và BSC tới MS yêu cầu MS cung cấp IMEI. MS nhận được yêu cầu và gửi IMEI của nó cho MSC/VLR trong bản tin IDENT_RSP. Bản tin này cũng trong suốt với BTS và BSC. IMEI của MS được EIR kiểm tra sự chứng thực là tích cực hay không. MSC/VLR gán TMSI (đây là thông tin được sử dụng thay cho IMSI để theo dõi những thuê bao khó hơn). TMSI được sử dụng để xác định tạm thời một thuê bao vào bản tin TMSI_REAL_CMD, một bản tin trong suôt với BTS và BSC và gửi tới cho MS. Chú ý việc ấn định một TMSI mới có thể xảy ra vào lúc cuối bên trong LOC_UPD_ACC. Hình 2.30e: Cập nhật vị trí trong BSS MS xác nhận bằng bản tin TMSI_REAL_COM, thông báo là một TMSI mới đã nhận được và đã được lưu trử. Đây cũng là một bản tin trong suốt qua BTS và BSC tới MSC/VLR. MSC/VLR đáp lại bằng bản tin trong suôt LOC_UPD_ACC cho MS rằng đã lưu giử vị trí vùng LAI mới. Đến đây một tiến trình cập nhật vị trí là hoàn thành. Kênh chiếm giữ trên giao diện Air có thể được giải phóng để nhường cho việc cập nhật mới. Để giải phóng MSC gửi một bản tin CLR_CMD tới BSC, BSC xử lý và chuyển tới BTS trong bản tin CHAN_RE và qua MS. Đồng thời BSC cũng gửi một gói tin DEACT_SACCH yêu cầu BTS ngừng gửi bản tin SACCH. MS phản ứng đáp lại bằng bản tin DISC (LAPDm) tới BTS để yêu cầu giải phóng kết nối tại lớp 2. BTS xác nhận bằng bản tin UA và xác nhận giải phóng kết nối của giao diện không khí Air bằng bản tin REL_IND và BSC chuyển tiếp tới MSC bằng bản tin CLR_CMP. BSC yêu cầu TRX trong bản tin RF_CHAN_REL để giải phóng nguồn chiếm giữ trên giao diện Air cho BTS. MSC gửi bản tin RLSD yêu cầu giải phóng nguồn SCCP. BTS gửi bản tin RF_CHAN_REL_ACK cho BSC xác nhận giải phóng trên giao diện Air, đồng thời BSC cũng gửi cho MSC bản tin RLC để xác nhận việc giải phóng của nguồn SCCP. b. Cập nhật vị trí trong NSS Khi cập nhật vị trí làm thay đổi VLR thì luôn phải truy cập với thông tin trong HLR, còn nếu như việc cập nhật vị trí mà không làm thay đổi VLR thì không cần truy cập thông tin ở HLR. Trong HLR luôn chỉ có thông tin về vùng VLR của thuê bao, nó không có thông tin cụ thể về vùng định vị. Mọi trạng thái của MS luôn được EIR kiểm tra. Hình 2.31a: Cập nhật vị trí trong NSS VLR mới yêu cầu chứng thực dữ liệu (SRES, RAND, Ki) từ VLR cũ sau khi nhận được bản tin LOC_UPD_REQ từ BSC qua giao diện A. VLR mới gửi thông tin nhận dạng dữ liệu TMSI cũ cho VLR cũ nhờ HLR (dữ liệu ban đầu), sự chứng thực dữ liệu sẻ được đáp lại cho VLR mới. Sau khi gửi bản tin LOC_UDP_ACC, VLR mới xác nhận với HLR rằng MS đã chuyển vùng VLR mới. Và gửi bản tin chứa IMSI và LMSI mới cho HLR cập nhật. HLR gửi bản tin yêu cầu VLR cũ xoá dữ liệu về thêu bao để cập nhật dữ liệu về vị trí mới của thuê bao, và được VLR cũ đáp trả bằng bản tin tương tự thông báo đả huỷ. Cùng lúc này VLR mới nhận được từ HLR tất cả dử liệu thuê bao trong một bản tin ‘insertSubcriberData’. VLR mới đáp trả bản tin tương tự để thông báo là đả cập nhật và HLR gửi bản tin ‘updataLocation tới cho VLR mới thông báo thủ tục cập nhật có thể khép lại cả hai bên. Việc cập nhật và chứng thực vị trí một MS còn nhằm mục đích làm giảm ăn trộm thiết bị viển thông. Hệ thống NSS là cơ sở dữ liệu của thuê bao còn EIR chứa một khoá nhận dạng bí mật IMEI nhằm kiểm tra chứng thực thuê bao trong mạng GSM. Việc kiểm tra có thể tiến hành qua các bước như sau: Hình 2.31b: Kiểm tra IMEI Khi thiết bị kiểm tra là tích cực, MSC/VLR mới yêu cầu mã nhận dạng thiết bị IMEI từ MS bằng một bản tin IDENT_REQ thông qua BSC và BTS như đã trình bày. Và việc đáp ứng yêu cầu là điều tất nhiên bằng một bản tin IDENT_RSP chứa IMEI cho MSC/VLR mới chứng thực. Để chứng thực MSC/VLR gửi nó thông qua bản tin yêu cầu kiểm tra IMEI cho EIR thông qua bản tin checkIMEI, và việc kiểm tra sẻ được EIR tiến hành. Một kết quả chứng thực sẻ được gửi trở lại MSC/VLR, nếu IMEI không bao gồm trong ‘back list’. 2.2.4 Bắt đầu cuộc gọi a. Bắt đầu cuộc gọi trong BSS Cuộc gọi được khởi xướng từ trạm di động MOC: Khi trạm MS ở trạng thái tích cực và đả đăng ký ở MSC/VLR phục vụ, MS có thể thực hiện cuộc gọi. Quá trình thực hiện cuộc gọi được cho như sau: Hình 2.32a: Bắt đầu cuộc gọi trong BSS Bằng kênh truy cập ngẫu nhiên RACH, MS gửi yêu cầu kênh báo hiệu đến BTS. BTS giãi mã yêu cầu CHAN_REQ tính toán khoảng cách từ MS tới BTS (thời gian đề xuất) chuyển tiếp thông tin hoàn chỉnh cho BSC trong bản tin CHAN_RQD. Sau khi nhận và xử lý CHAN_RQD, BSC thông báo cho BTS về kiểu kênh và số kênh sẻ được cấp bằng bản tin CHAN_ACT. BTS xác nhận bằng bản tin CHAN_ACT_ACK Tiếp đó BSC sẽ gửi IMM_AS_CMD để kích hoạt kênh đã được dành riềng trước đó. BTS sẻ gửi thông tin trên kênh AGCH tới cho MS. MS tìm IMM_AS_CMD bằng việc tham chiếu yêu cầu những cái mà có trong CHAN_REQ. Hình 2.32b: Bắt đầu cuộc gọi trong BSS Một bản tin chứa thông tin xác định thuê bao (ISMI hay TMSI) và xác định yêu cầu dịch vụ sẻ được gửi trong bản tin CM_SERV_REQ trong khung SABM (LAPDm) của lớp 2. BTS xác nhận lớp 2 đả được thiết lập bằng việc lặp lại bản tin CM_SERV_REQ chứa trong khung UA đồng thời chuyển tiếp thông tin này tới BSC. BSC xử lý một phần bản tin và thêm LAC + CI vào rồi đóng gói trong CR (SCCP) giống như CL3I (BSSM). Bản tin này cũng như một yêu cầu cho một kết nối SCCP tới MSC. MSC nhận và trả lời bằng khung CC nếu như nó có khả năng cung cấp một kết nối SCCP. Từ thời điểm này một kết nối logic được hình thành từ MS tới MSC/VLR. Đồng thời nó cũng trả lời cho MS thông qua BSC trên kết nối SCCP đả được thiết lập và qua BTS, bản tin này trong suốt với cả BTS và BSC. Thông tin bao gồm chuổi 13bit ngẫu nhiên RAND và số chuổi khoá mật mã CKSN chứa trong VLR. MS (chính xác hơn đó là SIM) sau khi nhận được bản tin RAND (số ngẫu nhiên 128bit) từ mạng và kết hợp với khoá mã Ki được lưu trong SIM thông qua giải thuật A3 cho ta SRES 13bit và MS dùng nó gửi trong bản tin AUTH_RSP tới MSC/VLR, đây là một bản tin trong suốt với BTS và BSC. VLR sẽ so sánh SRES với giá trị được cung cấp bởi HLR. Sự chứng thực là thành công, nếu cả hai là phù hợp. Khi đó MSC/VLR xác nhận yêu cầu dịch vụ trong bản tin trong suốt CM_SERV_ACC tới MS. Hình 2.32c: Bắt đầu cuộc gọi trong BSS MSC/VLR sẻ kiểm tra thông tin SRES nếu chứng thực nó sẻ gửi thông tin tới MS và BTS. BTS sau khi nhận được bản tin sẽ giải phóng một phần bản tin ENCR_CMD (nó là khoá mã Kc), bản tin này sau đó được thuật toán A4 biến thành chuổi ngẩu nhiên và gửi phần còn lại của bản tin CIPH_MOD_CMD tới MS. MS xác nhận bằng cách gửi bản tin CIPH_MOD_COM tới BSC và được BSC xử lý chuyển thành bản tin CIPHER_MODE_CMP tới MSC/VLR mã hoá để kích hoạt. Nếu thiết bị kiểm tra là tích cực thì MSC/VLR sẽ gửi bản tin IDENT_REQ trong suốt qua BTS và BSC tới MS yêu cầu MS cung cấp IMEI. MS nhận được yêu cầu và gửi IMEI của nó cho MSC/VLR trong bản tin IDENT_RSP. Bản tin này cũng trong suốt với BTS và BSC. IMEI của MS được EIR kiểm tra sự chứng thực là tích cực hay không. MSC/VLR gán TMSI mới (đây là thông tin được sử dụng thay cho IMSI để theo dõi những thuê bao khó hơn).TMSI được sử dụng để xác định tạm thời một thuê bao vào bản tin TMSI_REAL_CMD, một bản tin trong suôt với BTS và BSC và gửi tới cho MS. Chú ý việc ấn định một TMSI mới có thể xảy ra vào lúc cuối bên trong LOC_UPD_ACC. MS xác nhận với bản tin TMSI_REAL_COM rằng TMSI mới đả được lưu trữ. Như vậy việc cập nhật vị trí đã xong và việc thiết lập cuộc gọi bắt đầu Hình 2.32d: Bắt đầu cuộc gọi trong BSS Sau khi qua trinh cập nhật vị trí xong MS gửi tới MSC/VLR bản tin SETUP trong suốt qua BTS và BSC, bao gồm các thông số như: khả năng mạng, các thông số đảm bảo khả năng tương thích gữi hai thiết bị MS, số thoại phía bị gọi,và các dịch vụ bổ sung. Sau khi MSC/VLR nhận được thông tin nó gửi một bản tin IAM (ISUP) để cài đặt một kết nối MSC/VLR xác nhận với bản tin CALL_PROC rằng IAM đã được gửi và MSC đang xử lý thiết lập cuộc gọi. Bản tin này trong suôt qua BTS và BSC tới MS. Tại cùng thời điểm, nếu thiết lập cuộc gọi muộn OACSU (Off Air Call SetUp) có nghĩa là kênh tiếng ở giao vô tuyến được cấp phát ở thời điểm muộn nhất. Nếu OACSU là tích cực thì kênh tiếng và FACCH tương ứng chỉ được thiết lập ngay trước kết nối khi đảm bảo rằng phía bị gọi đả trả lời. Còn nếu kết nối được thiết lập không có OACSU thì MSC sẻ gửi bản tin ASS_REQ tới BSC với nội dung quan trọng là ấn định một kênh mà sẻ được sử dụng cho kết nối giao diện Air. Ở đây BSC kiểm tra nếu có kênh lưu lượng rỗi nó ấn định kênh này cho cuộc gọi và yêu cầu BTS tích cực kênh này. Để biết được tình trạng lớp vật lý trên giao diện Air BSC hỏi BTS qua bản tin PHY_CONTEXT_REQ trước khi BSC gán kênh TCH trên giao diện A. BTS đáp lại bản tin PHY_CONEXT_CONF mang nội dung về khoảng cách thực tế của MS và thiết lập công suất phát cho MS và BS. Sau khi nhận và xử lý bản tin ASS_REQ, BSC sẻ báo tin cho BTS về kiểu kênh và số kênh sẻ được dành riêng bằng bản tin CHAN_ACT. BTS xác nhận việc nhận và xử lý bằng bản tin CHAN_ACT_ACK. Sau đó BSC sẻ chỉ cho BTS và MS một kênh giao vận TCH với bản tin ASS_CMD chứa thông tin TRX và TS. Kênh này được dùng cho giao diện Air. Hình 2.32e: Bắt đấu cuộc gọi trong BSS MS gửi khung SABM thông qua kênh FACCH cho BTS để yêu cầu thiết lập kết nối ở lớp 2 LAPDm. BTS xác nhận bằng bản tin UA (LAPDm) trong lớp 2 đả được thiết lập. Tại cùng một thời điểm gửi bản tin ÉT_IND về việc thiết lập kết nối 2 cho BSC trên giao diện BSC. MS gửi một bản tin trong suôt ASS_COM tới MSC đây là dữ liệu lớp 3 kênh giao vận và cũng đồng thời là bản tin công nhận ASS_REQ. Lúc này BSC sẻ giải phóng kênh điều khiển đả chiếm giữ lúc trước, kênh dùng để thiết lập cuộc gọi bằng bản tin RF_CHAN_REL thông báo cho BTS. BTS xác nhận việc giải phóng kênh bằng bản tin đáp trả RF_CH_REL_ACK. Hệ thống con điều khiển lưu lượng sẽ phân tích các số mà thuê bao gọi đả quay và thiết lập kết nối tới thuê bao bị gọi. Cuộc gọi được nối thông qua chuyển mạch nhóm. Khi MSC/VLR nhận ACM cho việc thiết lập kết nối nó gửi một bản tin ALERT hoặc bản tin PROGRESS tới MS, đây là nhúng bản tin trong suốt. ALERT sử dụng để chỉ ra một sự thay đổi trạng thái bênn trong MS còn PROGRESS sử dụng khi không thay đổi trạng thái của MS. Báo chuông sẽ được gửi đến trạm MS cho thấy phía bị gọi đang đổ chuông. Tông chuông được tạo ra ở tổng đài phía thuê bao bị gọi và được chuyển mạch nhóm đến MS. Như vậy tông chuông được gửi qua đường vô tuyến chứ không phai được tạo ra ở MS. Khi MSC/VLR nhận được bản tin ANS (đây là bản tin trả lời từ thuê bao bị gọi) thì cuộc gọi thông qua đó được kết nối, và gửi tới MS bản tin CON, một bản tin trong suôt. Một cuộc gọi thực tế (thoại) bắt đầu khi MS nhận được bản tin CON và gửi lại bản tin xác nhận CON_ACK tới MSC/VLR, cước phí bắt đầu được tính. Đến đây thì việc thiết lập cuộc gọi là đả hoàn thành. Việc xoá một cuộc gọi có thể khởi xướng từ MS hay từ đối phương. Nếu MS khởi xướng xoá thì nó phát đi bản tin DISCONNECT tới BS và BS trả lời bằng cách xoá kết nối CM. Ta xét trường hợp phía thuê bao bị gọi xoá kết nối: Hình 2.32f: Bắt đầu cuộc gọi trong BSS MS bị gọi nhấn nút END để kết thúc cuộc gọi thì kết nối sẻ được giải phóng ngay. MS gửi bản tin DISC trong suốt qua BTS và BSC tới MSC/VLR. MSC/VLR đáp lại bằng bản tin REL cũng trong suốt tới MS. Việc tính cước cũng chấm dứt MS gửi bản tin REL_COM để giai phóng kết nối tới MSC/VLR. Sau khi cuộc gọi kết thúc kênh chiếm giữ trên giao diện A sẻ được giải phóng. MSC gửi bản tin CLR_CMD tới BSC, BSC xử lý và chuyển tiếp bản tin CHAN_REL tới BTS và MS. Đồng thời BSC yêu cầu BTS ngừng gửi bản tin ở kênh SACCH bằng việc gửi bản tin DEACT_SACCH. Khi mà MS nhận được bản tin CHAN_REL nó sẻ tự động gữi trở lại bản tin DISC bản tin lớp 2 yêu cầu BTS giải phóng kết nối ở lớp 2. BTS xác nhận và đáp trả bản tin UA. đồng thời gửi bản tin REL_IND cho BSC để xác nhận sự giải phóng kết nối giao diện A. BSC phân tích và gửi bản tin này tới MSC thông qua bản tin CLR_CMP. Với bản tin RF_CHAN_REL, BSC yêu cầu TRX giải phóng nguồn chiếm giữ trên giao diện A. MSC yêu cầu BSC giải phóng kết nối SCCP thông qua bản tin RLSD. Và BTS xác nhận việc giải phóng trên giao diện A đồng thời BSC cũng gửi MSC bản tin RLC xác nhận kết nối SCCP được giải phóng. Lưu ý: Các bản tin trên giao diện Air ở trên được truyền trên hai kênh FACCH và SDCCH. Báo hiệu sự giao vận trong thời gian kết nối: Hình 2.33: Báo hiệu sự giao vận trong lúc kết nối Cả MS và BTS sẻ gửi kết quả mà chúng đo được trong suốt thời gian kết nối, mỗi lần gửi trên một khung, trong bản tin MEAS_RES/MEAS_REP tới cho BSC trên kênh SACCH. Trên đường truyền xuống SACCH gửi thông tin SYS_INFO 4 và 6 cho mỗi lần một khung cho MS. Đồng thời còn mang thông tin: thiết lập công suất truyền, thời gian đề xuất. Việc thay đổi công suất truyền của MS và BTS được BSC điều khiển thông qua bản tin MS_POWER_CON. b. Bắt đầu cuộc gọi trong NSS Trong hệ thống NSS một yêu cầu kết nối của một thuê bao có thể được định hướng thông qua: Tới cùng một PLMN (MS-MS). Tới từ PLMN khác (MS-MS). Tới từ mạng tích hợp số ISDN. Tới từ mạng điện thoại tương tự PSTN. Dưới đây là ví dụ về cuộc gọi MOC cho các trường hợp trên. Tổng đài cổng GMSC được sử dụng cho việc chuyển đổi từ mạng ISDN hay PSTN vào mạng GSM. Hình 2.34a: Bắt đầu cuộc gọi trong NSS Cuộc gọi khởi phát từ MS trong mạng di động ra mạng ngoài ISDN bắt đầu bằng việc MSC/VLR nhận một bản tin khởi tạo yêu cầu CM_SERV_REQ từ BSC Bản tin SETUP mang thông tin về số điện thoại của thuê bao bị gọi sẻ được gửi tới MSC MSC xử lý và gửi khung IAM mang thông tin yêu cầu ra tới GMSC. GMSC chuyển tiếp bản tin tới tổng đài ISDN. Khi việc định tuyến cuộc gọi trong mạng ISDN hoàn tất. Việc gửi thông tin về việc phía thuê bao số đang đổ chuông sẻ được tổng đài ISDN gửi quay trở lại GMSC qua bản tin ACM và chuyển tiếp qua MSC và MSC xử lý chuyển tới cho MS thông qua bản tin ALERT hay PROGRESS. Cũng đồng thời tổng đài ISDN gửi một bản tin ANM nội dung trả lời tin nhắn từ thuê bao di động và được MSC xử lý thành bản tin CON gửi cho MS qua BSS. Và BSC cũng gửi đáp lại bản tin CON_ACK. Như vậy một kết nối đả được nối thông cho hai thuê bao ở hai mạng khác nhau. Cuộc đàm thoại bắt đầu nếu bên thuê bao số nhấc ống nghe. Và việc tính cước cũng bắt đầu được tính. Khi một bên kết thúc cuộc gọi. Ở trường hợp này là phía MS một bản tin DISC được gửi tới MSC và chuyển tiếp sang GMSC và qua tổng đài ISDN bằng bản tin REL trong ISUP và đồng thời một bản tin REL (BSSAP) tới cho MS. Đồng thời chấm dứt việc tính cước. Tổng đài ISDN xác nhận bằng việc gửi bản tin RLC (trong phần ISUP) cho MSC thông qua GMSC. MS xác nhận bản tin REL giải phóng kết nối bằng bản tin REL_COM. 2.2.5 Cuộc gọi từ đầu cuối di động a. Đầu cuối di động gọi trong BSS Cuộc gọi MTC (Mobile Terminal Call) mặc dù không xuất phát từ MS nhưng vẩn có nhiều điểm giống MOC tuy nhiên vẩn có nhiều điểm khác nhau: CHAN_REQ của MS trong MTC là sự trả lời cho PAGING_REQ còn trong MOC thì nó là yêu cầu của MS cho khởi tạo cuộc gọi. Bản tin đầu tiên gửi trên một SDCCH mới không phải là CM_SERV_REQ mà là PAG_RSP. Bản tin SETUP trong MTC được khởi tạo từ MSC/VLR chứ không phải từ MS. Một thí dụ về cuộc gọi MTC: Hình 2.35a: Đầu cuối di động gọi trong BSS Khi có một cuộc gọi yêu cầu tới MSC/VLR thì đầu tiên MSC/VLR gửi một yêu cầu PAGING cho tất cả BTS, đây là bản tin quảng bá tìm gọi trạm MS được gọi và nó chứa các thông tin của cả MS gọi lẩn MS bị gọi như IMSI hay TMSI. Các bản tin được chuyển cho các BTS qua các trạm BSC dưới bản tin PAGING_CMD. Nếu một BSC nào đáp ứng tức là có kênh rổi thì nó sẻ gán một kênh điều khiên CCH và chuyển các bản tin đó cho các BTS. Đến trạm BTS chuyển nó thành bản tin yêu cầu cũng vẩn nội dung ấy PAG_REQ. Khi mà tìm được MS bị gọi lập tức nó được gán một kênh điều khiển do BSC chỉ định CCCH và gửi một bản tin trả lời sự phân trang trở lại CHAN_REQ qua BTS nó được mã hoá tính toán khoảng cách MS tới BTS và chuyển thông tin trong bản tin CHAN_RQD tới cho BSC. Sau khi nhận được BSC xử lý và gửi đáp lại một bản tin cho BTS biết về kiểu kênh và số kênh sẽ được gán bằng bản tin CHAN_ACT. BTS xử lý và xác nhận đáp lại một bản tin CHAN_ACT_ACK về số khung cho BSC. Hình 2.35b: Đầu cuối di động gọi trong BSS Để kích hoạt kênh đả được BSC dành riêng trước đó nó gửi bản tin IMM_ASS_CMD cho MS và được BTS gửi trên kênh AGCH. MS xử lý và tham chiếu với yêu cầu của nó trong CHAN_REQ. Sau đó nó gửi bản tin PAG_RSP trong khung SABM trên kênh SDCCH đả thiết lập yêu cầu thiết lập kết nối lớp 2 (LAPDm). Bản tin là trong suốt qua sự xác nhận bản tin UA trở lại cho MS của BTS và chuyển bản tin PAG_RSP qua cho BSC. BSC xử lý một phần (phần nó cần là Mobile Station Classmark) và thêm LAC, CI. Tất cả thông tin được đóng gói trong bản tin CL3I và chuyển nó cho MSC/VLR đang phục vụ, bản tin CR yêu cầu một kết nối SCCP. Nếu MSC có khả năng phục vụ nó sẻ đáp lại bằng bản tin CC, từ đây một kết nối logic giữa MS và MSC/VLR đả được thiết lập. MSC/VLR gửi chuổi số ngẩu nhiên RAND và CKSN trong bản tin AUTH_REQ là trong suốt với BTS và BSC cho MS. MS (chính xác hơn đó là SIM) sau khi nhận được bản tin RAND (số ngẫu nhiên 128bit) từ mạng và kết hợp với khoá mã Ki được lưu trong SIM thông qua giải thuật A3 cho ta SRES 13bit và MS dùng nó gửi trong bản tin AUTH_REQ tới MSC/VLR, đây là một bản tin trong suốt với BTS và BSC. Hình 2.35c: Đầu cuối di động gọi trong BSS VLR sẽ so sánh SRES với giá trị được cung cấp bởi HLR. Sự chứng thực là thành công, nếu cả hai là phù hợp. MSC/VLR sẻ kiểm tra thông tin SRES nếu chứng thực nó sẻ gửi thông tin tới MS và BTS. BTS sau khi nhận được bản tin sẽ giải phóng một phần bản tin ENCR_CMD (nó là khoá mã Kc), bản tin này sau đó được thuật toán A4 biến thành chuổi ngẩu nhiên và gửi phần còn lại của bản tin CIPH_MOD_CMD tới MS. MS xác nhận bằng cách gửi bản tin CIPH_MOD_COM tới BSC và được BSC xử lý chuyển thành bản tin CIPHER_MODE_CMP tới MSC/VLR mã hoá để kích hoạt. Nếu thiết bị kiểm tra là tích cực thì MSC/VLR sẽ gửi bản tin IDENT_REQ trong suốt qua BTS và BSC tới MS yêu cầu MS cung cấp IMEI. MS nhận được yêu cầu và gửi IMEI của nó cho MSC/VLR trong bản tin IDENT_RSP. Bản tin này cũng trong suốt với BTS và BSC. IMEI của MS được EIR kiểm tra sự chứng thực là tích cực hay không. MSC/VLR gán TMSI mới (đây là thông tin được sử dụng thay cho IMSI để theo dõi những thuê bao khó hơn).TMSI được sử dụng để xác định tạm thời một thuê bao vào bản tin TMSI_REAL_CMD, một bản tin trong suôt với BTS và BSC và gửi tới cho MS. MS xác nhận với bản tin TMSI_REAL_COM rằng TMSI mới đả được lưu trữ. Hình 2.35d: Đầu cuối di động gọi trong BSS Sau khi qua trình cập nhật vị trí và xác thực MS xong MSC/VLR gửi bản tin SETUP trong suốt qua BTS và BSC tới MS, bao gồm các thông số như: khả năng mạng, các thông số đảm bảo khả năng tương thích gữi hai thiết bị MS, số thoại phía bị gọi, và các dịch vụ bổ sung. Sau khi MS nhận được thông tin nó gửi một bản xác nhận CALL_CONF tới MSC/VLR. Bản tin này trong suôt qua BTS và BSC. Tại cùng thời điểm, nếu thiết lập cuộc gọi muộn OACSU (Off Air Call SetUp) có nghĩa là kênh tiếng ở giao vô tuyến được cấp phát ở thời điểm muộn nhất. Nếu OACSU là tích cực thì kênh tiếng và FACCH tương ứng chỉ được thiết lập ngay trước kết nối khi đảm bảo rằng phía bị gọi đả trả lời. Còn nếu kết nối được thiết lập không có OACSU thì MSC sẻ gửi bản tin ASS_REQ tới BSC với nội dung quan trọng là ấn định một kênh mà sẻ được sử dụng cho kết nối giao diện Air. Ở đây BSC kiểm tra nếu có kênh lưu lượng rỗi nó ấn định kênh này cho cuộc gọi và yêu cầu BTS tích cực kênh này. Để biết được tình trạng lớp vật lý trên giao diện Air BSC hỏi BTS qua bản tin PHY_CONTEXT_REQ trước khi BSC gán kênh TCH trên giao diện A. BTS đáp lại bản tin PHY_CONEXT_CONF mang nội dung về khoảng cách thực tế của MS và thiết lập công suất phát cho MS và BS. Sau khi nhận và xử lý bản tin ASS_REQ, BSC sẻ báo tin cho BTS về kiểu kênh và số kênh sẻ được dành riêng bằng bản tin CHAN_ACT. BTS xác nhận việc nhận và xử lý bằng bản tin CHAN_ACT_ACK. Hình 2.35e: Đầu cuối di động gọi trong BSS Sau đó BSC sẻ chỉ cho BTS và MS một kênh giao vận TCH với bản tin ASS_CMD chứa thông tin TRX và TS. Kênh này được dùng cho giao diện Air. MS gửi khung SABM thông qua kênh FACCH cho BTS để yêu cầu thiết lập kết nối ở lớp 2 LAPDm. BTS xác nhận bằng bản tin UA (LAPDm) trong lớp 2 đả được thiết lập. Tại cùng một thời điểm gửi bản tin ÉT_IND về việc thiết lập kết nối 2 cho BSC trên giao diện BSC. MS gửi một bản tin trong suôt ASS_COM tới MSC đây là dữ liệu lớp 3 kênh giao vận và cũng đồng thời là bản tin công nhận ASS_REQ. Lúc này BSC sẻ giải phóng kênh điều khiển đả chiếm giữ lúc trước, kênh dùng để thiết lập cuộc gọi bằng bản tin RF_CHAN_REL thông báo cho BTS. BTS xác nhận việc giải phóng kênh bằng bản tin đáp trả RF_CH_REL_ACK. Hệ thống con điều khiển lưu lượng sẽ phân tích các số mà thuê bao gọi đả quay và thiết lập kết nối tới thuê bao bị gọi. Cuộc gọi được nối thông qua chuyển mạch