basic aircom

TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM

Trang 1

Phần 1: GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG CELL Giới thiệu

Phần này giới thiệu các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu, thế hệ thứ hai. Nội dung phần này bao gồm:

Mạng vô tuyến cell Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ thứ hai và các hệ thống phi GSM Các hệ thống cell trên thế giới và sự phân bố thuê bao

Mạng vô tuyến cell Các đặc tính của mạng vô tuyến di động Mạng vô tuyến di động hình thành theo cấu trúc tế bào nên còn có tên gọi là mạng vô tuyến

cell. Mỗi cell là vùng phủ của 1 anten. Vì thế hình dáng của cell phụ thuộc vào kiểu anten và công suất phát của từng trạm gốc. Dạng anten thường sử dụng là anten vô hướng phát đẳng hướng và anten có hướng tập trung công suất phát theo hướng nhất định

Số lượng tần số trong mạng là hữu hạn. Do đó, để sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến ta cần sử dụng lại tần số ở các BTS khác nhau

Tính di động giữa các cell thực hiện được nhờ vào chuyển giao (giới thiệu cụ thể ở chương 8).

Hình 1.1-Mốc thời gian ra đời của các thế hệ mạng

Hệ thống cell thế hệ thứ nhất Các đặc tính của hệ thống cell thế hệ thứ nhất: Giới thiệu rộng rãi đầu năm 1980 Sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự Dùng kiểu đa truy xuất phân chia theo tần số Chỉ dùng cho thọai Không có khả năng roaming với mạng ngoài Không an toàn trên giao diện vô tuyến


Trang 2

Các chuẩn mạng thế hệ thứ nhất AMPS (Analogue Advanced Mobile Phone System): theo chuẩn Bắc Mỹ dùng băng tần

800Mhz. TACS (Total Access Communications System): chuẩn Hoa Kỳ dựa trên AMPS dùng băng tần

900Mhz. NMT(Nordic Mobile Telephony System): theo chuẩn Bắc Âu dùng băng tần 450Mhz và

900Mhz. C-450: theo chuẩn Đức dùng băng tần 450Mhz JTACS: theo chuẩn Nhật dùng băng tần 900Mhz

Quy họach cell cho mạng thế hệ thứ nhất Macrocellular: đặt ở vị trí cao cho vùng phủ lớn, anten trên mái nhà Họach định tần số: đối với các mạng số cell nhiều hơn số tần số thì cần phải họach định cho tần

số Cell kích thước lớn, vùng phủ 30km Chuyển giao cứng: Mỗi MS tại 1 thời điểm chỉ được kết nối tới duy nhất 1 cell Cell có hình dạng lục giác

Hình 1.2- Sự phân bố tần số giữa các cell trong mạng vô tuyến cell.

Hệ thống cell thế hệ thứ hai Các đặc tính hệ thống cell thế hệ thứ hai Giới thiệu rộng khắp trong những năm 1990 Dùng điều chế số Dùng nhiều kỹ thuật đa truy cập khác nhau Sử dụng phổ vô tuyến hiệu quả hơn Truyền thọai và dữ liệu chuyển mạch mạch tốc độ thấp Có khả năng roaming quốc tế An tòan trên giao diện vô tuyến Tương thích với ISDN


Trang 3

Trong khi những hệ thống thế hệ đầu dùng kiến trúc cell và tái sử dụng lại tần số thì các hệ thống số vẫn phát triển quan diểm này và dùng thêm các thông số cell đa lớp (các microcell và macrocell). Tái sử dụng tần số chặt hơn do nhiễu trong truyền dẫn số giảm.

Các đặc tính của mạng CDMAOne Những mạng đầu tiên năm 1996 Bắt nguồn từ giao diện vô tuyến Qualcomm IS-95 Đa truy cập phân chia theo mã Mạng lõi ANSI-41 Tốc độ chip là 1.2288Mcps

Các đặc tính D-AMPS/PDC

TDMA(D-AMPS) PDC Dùng TDMA/FDMA Dùng TDMA/FDMA

Phần lớn được dùng ở Bắc và Nam Mỹ

Phần lớn được dùng ở châu Á

Họach định giống mạng GSM

Họach định giống mạng GSM

Mạng core ANSI-41

Sự phát triển của GSM và các đặc tính

Cấu trúc cell Mục đích của hệ thống cấu trúc cell là sử dụng tần số sẵn có một cách hiệu quả Cấu trúc cell cho phép tái sử dụng tần số trong mạng Việc họach định thông số tái sử dụng tần số là phần chính của thiết kế hệ thống

Họach định GSM Các thông số chính cần quan tâm khi họach định mạng

Vùng phủ Dung lượng Chất lượng

Các thông số tùy chọn yêu cầu khi họach định mạng Cấu trúc cell phân bậc(macrocell/microcell) Nhảy tần Truyền không liên tục Điều khiển công suất

Phân tích dung lượng thuê bao: dung lượng giới hạn bởi số TRX Sự phân bố thuê bao trong các hệ thống cell


Trang 4

Hình 1.3-Sự phân bố thuê bao ứng với các thế hệ mạng di động

Hình 1.4-Sự phân bố thuê bao di động trên thế giới

Các đặc tính của mạng 2.5G Điều chế số Thọai và dữ liệu chuyển mạch mạch tốc độ vừa Kỹ thuật roaming 2G An tòan trên giao diện vô tuyến Dựa trên các chuẩn ưu thế đã tồn tại trong mạng 2G như GSM và CDMAOne Tốc độ dữ liệu được tăng cao


Trang 5

Phần 2: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MẠNG 2.1 Các số nhận dạng trong mạng GSM 2.1.1 IMEI-International Mobile Equipment Identity

IMEI (International Mobile Equipment Identity) là số nhận dạng thiết bị di động quốc tế, dùng để phân biệt từng máy ĐTDĐ. Không thể có hai ĐTDĐ cùng mang một số IMEI. Thông thường, số IMEI do một số tổ chức cung cấp cho nhà sản xuất ĐTDĐ. IMEI được lưu trong AuC, máy, EIR. EIR dùng số này để nhận dạng thiết bị di động bi lấy cắp và ngăn cấm truy cập vào mạng

Số IMEI luôn gồm 15 chữ số theo dạng:

TAC(Type Approval Code) có 6 chữ số 2 chữ số đầu cho biết tổ chức nào đã cung cấp số IMEI cho nhà sản xuất ĐTDĐ. Bốn chữ số kế tiếp được gọi là Mobile Equipment Type Identifier, dùng để nhận dạng dòng (model) ĐTDĐ FAC (Final Assembly Code) dùng để xác định xuất xứ của sản phẩm SNR (Serial Number) số xêri của sản phẩm Spare cho sử dụng trong tương lai

Ví dụ: Nếu IMEI là 350893-30-952659-2 :số đầu 35 cho biết do tổ chức BABT cấp, được sản xuất tại Hàn Quốc(30). 2.1.2 IMSI-International Mobile Subscriber Identity

IMSI là số nhận dạng thuê bao di động quốc tế dùng để phân biệt các thuê bao di động tòan cầu. Nó được dùng cho báo hiệu trong mạng, được lưu trong SIM, HLR và VLR đang phục vụ

Số IMSI luôn gồm 3 phần:

MCC(Mobile Country Code): Mã nước di động(Việt Nam là 452) MNC(Mobile Network Code): Mã nhà cung cấp mạng di động(Viettel là 04) MSIN(Mobile Station Identification Number): số nhận dạng thuê bao di động


Trang 6

2.1.3 TMSI-Temporary Mobile Subscriber Identity TMSI là số nhận diện thuê bao di động tạm thời. Số này có giá trị trong từng LA, được cấp

mới cho MS mỗi khi thực hiện IMSI attach, hay khi cập nhật vị trí do MS chuyển sang LAI khác. Số này được sử dụng để tìm gọi MS trên giao diện vô tuyến, được thay đổi sau từng cuộc gọi hay theo chu kỳ để tránh cho MS bị theo dõi bằng cách nghe lén tín hiệu gọi trên đường vô tuyến. Chỉ khi không thể gọi được bằng TMSI thì mạng mới tìm gọi MS bằng IMSI. TMSI được lưu trong VLR và trong SIM. TMSI bao gồm 4 octet. Mỗi nhà điều hành mạng có thể chọn cấu trúc TMSI 2.1.4 LAI-Location Area Identity

Mạng PLMN sẽ được chia thành nhiều vùng nhỏ gọi là LA(Location area). Mỗi vùng nhỏ này sẽ có 1 số nhận dạng và số này gọi là LAI. LAI được broadcast đều đặn bởi các BTS trên kênh BCCH. Công dụng của LAI là dùng để tìm gọi và cập nhật vị trí cho thuê bao

Cấu trúc như sau:

LAC(Location Area Code):16 bit cho phép 65536 vùng nhỏ được xác định trong 1 PLMN

2.1.5 MSISDN-Mobile Station ISDN Number

Đây là số thực của 1 thuê bao khi liên lạc với thuê bao ta sẽ gọi số này .MSISDN là số mô tả thuê bao di động trong mạng PSTN. Khi 1 máy cố định gọi cho 1 máy di động trong báo hiệu với tổng đài cố định thì địa chỉ của máy bị gọi chính là số MSISDN và tổng đài cố định sẽ căn cứ vào số đó để điều khiển kết nối tới mạng di động(GMSC-HLR) của máy bị gọi.

Cấu trúc như sau :

CC(Country Code) : Mã nước NDC(National Destination Code):Mã mạng SN(Subscriber Number): Số thuê bao


Trang 7

VD:84 98 8000345 2.1.6 MSRN-Mobile Station Roaming Number

MSRN là 1 số tạm thời được cấp bởi VLR được dùng để định tuyến cuộc gọi giữa 2 thuê bao thuộc 2 mạng khác nhau(GMSC-MSC) hay 2 thuê bao thuộc 2 MSC khác nhau

Cấu trúc gồm 3 phần:

2.1.7 CI-Cell Identifier

CI là số nhận dạng cell dùng để nhận dạng các cell khác nhau trong 1 mạng PLMN 2.1.8 BSIC-Base Station Identity Code

BSIC là mã dùng để phân biệt các cell khác nhau khi các cell này có cùng tần số BCCH. Hai cell có tần số BCCH giống nhau thì BISC phải khác nhau

Cấu trúc như sau:

NCC(Network Color Code) 3 bit tương ứng từ 0 đến 7 BCC(Base Station Color Code) 3 bit tương ứng từ 0 đến 7

2.1.9 CGI-Cell Global Identity CGI được dung để nhận dạng các cell riêng biệt trong cùng một LA. Nhận dạng cell thực hiện

bằng cách cộng CI với LAC. CI có chiều dài tối đa là 16 bit. CGI bao gồm:


Trang 8

2.2 Tổng quan kiến trúc mạng

AUC

HLR EIR

SS

BSS

MSC

BTS

MS

NMC and OMC

Switching System

Signaling transmissionCall connections and signaling transmission

Base Station System

Othernetworks

BSC

GMSC

VLR

Mạng GSM hình thành từ 3 phần: Mobile Station (MS) Base Station Sub-system (BSS) : Gồm 1 BSC và nhiều BTS Network and Switching Sub-system (NSS) : gồm MSC và VLR, HLR, EIR, AUC

2.2.1 MS-Mobile Station MS là thiết bị thu phát cá nhân do người đăng ký thuê bao trực tiếp sử dụng bao gồm:

Thiết bị di động : ME – Mobile equipment. Module nhận dạng thuê bao: SIM – Subscriber Identity Module.

SIM cất giữ thông tin về thuê bao, mạng bao gồm: Số IMSI, khóa nhận thực, thuật tóan kiểm tra nhận thực, bảo mật TMSI, LAI, danh sách các tần số được dùng cho việc chọn cell Module nhớ số danh bạ, tin nhắn

ME được phân biệt bởi số IMEI Căn cứ vào công suất phát tối đa của MS mà ta phân MS thành các lớp như sau:


Trang 9

Những thiết bị di động đầu cuối dùng trong mạng GSM thường là class 3 và 4 đối với băng tần

900 , class 1 và 2 đối với băng tần 1800(DCS). Những class khác dùng cho những thiết bị lắp đặt cố định hay lắp trên xe 2.2.2 BSS-Base Station Subsystem

2.2.2.1 BTS-Base Transceiver BTS gồm có

Các TRX có chức năng phát và nhận tín hiệu Các thiết bị điều khiển và xử lý tín hiệu Các cáp feeder và anten

Hiện nay 1 BTS gồm có 3 anten đặt theo 3 hướng khác nhau. Mỗi anten tại ra một vùng phủ sóng nhỏ gọi là cell. Nhiều cell tạo thành 1 LA. Tùy theo lọai thiết bị BTS mà cho phép 1 cell có thể có tối đa bao nhiêu TRX

Chức năng của BTS là tạo ra vùng họat động cho MS 2.2.2.2BSC-Base Station Controller

BSC thực hiện các chức năng chính sau: Cấp phát kênh vô tuyến Quản lý tài nguyên vô tuyến Duy trì cuộc gọi như giám sát chất lượng, điều khiển công suất phát của MS

hay BTS, điều khiển chuyển giao Điều khiển 1 hay nhiều BTS

2.2.2.3Topo mạng BSS Gồm các topo sau:


Trang 10

Dạng chuỗi(Chain): chi phí rẻ, dễ thực hiện nhưng nếu liên kết bị hư sẽ tác động đến nhiều BTS

Dạng vòng(Ring): an tòan nhờ bảo vệ nếu liên kết hư nhưng khó hơn cho

việc mở rộng

Dạng sao(star): đây là cấu hình phổ biến cho những hệ thống GSM đầu tiên.

Chi phí đắt vì mỗi BTS đều có liên kết riêng với BSC, 1 liên kết bị hư không tác động đến BTS khác

Các BTS được liên kết đến BSC theo 1 trong những topo chuẩn. Các liên kết vật lý có thể là vi ba, cáp quang hay đồng.

2.2.3 NSS-Network Switching Subsystem NSS gồm các thành phần sau:

Mobile Switching Centre (MSC) Visitor Location Register (VLR) Home Location Register (HLR) Authentication Centre (AuC) Equipment Identity Register (EIR) Gateway MSC (GMSC)

Những thành phần này được kết nối bằng mang SS7


Trang 11

2.2.3.1 MSC-Mobile Switching Centre Một MSC là 1 tổng đài thực hiện chức năng:

Chuyển mạch, điều khiển và ghi lại cuộc goi Giao diện với PSTN, ISDN, PSPDN Quản lý tính di động Quản lý 1 phần tài nguyên vô tuyến như handover giữa các BSC Thông tin tính cước

Một MSC quản lý nhiều BSC nên vùng quản lý của MSC là tòan bộ vùng phủ của các BTS thuộc quyền quản lý của các BSC đó 2.2.3.2VLR-Visitor Location Register

VLR là 1 cơ sở dữ liệu phục vụ cho các thuê bao mà hiện thời đang nằm trong vùng phục vụ của 1 MSC. Mỗi MSC trong mạng sẽ kết hợp với 1 VLR nhưng 1 VLR có thể phục vụ nhiều MSC. Nhưng hiện nay thì mỗi VLR được tích hợp trong 1 MSC. Một MS di chuyển trong vùng phục vụ của 1 MSC được điều khiển bởi VLR kết hợp với MSC đó. Thông tin trên VLR cập nhật tự động

Khi di chuyển sang vùng mới, MS thực hiện cập nhật vị trí. Nếu vùng mới này còn trong phạm vi quản lý của MSC-VLR cũ thì chỉ cần cập nhật số LAI mới(vị trí mới) của MS trên VLR. Nếu vị trí mới thuộc phạm vi quản lý của 1 MSC-VLR khác thì VLR mới phải lấy thông tin của MS từ HLR và HLR cũng sẽ yêu cầu VLR cũ xóa thông tin về MS. Sau đó VLR mới mới cập nhật số LAI của MS. Do đó VLR chỉ cất thông tin tạm và sẽ bị mất khi MS di chuyển sang vùng mới hay MS rời mạng quá lâu

Thông tin cất trong VLR bao gồm: IMSI MSISDN MSRN


Trang 12

TMSI LAI Những thông số dịch vụ cộng thêm Trạng thái của thuê bao(tắt, bật..)

2.2.3.3HLR-Home Location Register HLR là 1 cơ sở dữ liệu đảm nhiệm việc quản lý các thuê bao di động. Một mạng

PLMN có thể có 1 hay nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao di động, dung lượng của thiết bị và sự tổ chức của mạng

Thông tin cất trong HLR gồm: IMSI MSISDN Địa chỉ MSC-VLR Các dịch vụ cộng thêm MSRN Thông tin thuê bao Những giới hạn dịch vụ

Cùng với AuC, HLR kiểm tra tính hợp lệ của thuê bao Lưu ý:VLR cho biết MS thuộc LAI nào nhưng HLR chỉ cho biết MS thuộc vùng quản

lý của MSC-VLR nào 2.2.3.4AUC-Authentication Centre

AuC được kết hợp với HLR, chứa khóa nhận thực của các thuê bao đã đăng ký trong HLR

Khóa này được dùng để tạo ra: Dữ liệu được dùng để nhận thực 1 MS có quyền truy nhập vào mạng hay

không Một khóa được dùng để mật mã thông tin trên đường vô tuyến giữa MS và

mạng Những thủ tục được dùng cho nhận thực và mã hóa sẽ được miêu tà đầy đủ hơn ở

chương an tòan trong GSM 2.2.3.5GMSC-Gateway Mobile Switching Centre

GMSC là 1 thiết bị định tuyến lưu lượng trong 1 mạng di động đến đích đến GMSC truy cập HLR của mạng để tìm xem thuê bao di động được gọi thuộc MSC-

VLR nào Một MSC riêng biệt có thể đóng vai trò như 1 GMSC Nhà điều hành mạng có thể dùng 1 hay nhiều GMSC GMSC định tuyến cuộc gọi giữa các MSC hay giữa MSC với mạng ngòai

2.2.3.6EIR-Equipment Identity Register EIR là 1 cơ sở dữ liệu lưu trữ các số IMEI. Trong đó có 3 danh sách:

Danh sách trắng là những số IMEI được phép kết nối với mạng


Trang 13

Danh sách xám là những số IMEI của ME được quyền sử dụng dịch vụ mạng nhưng dưới tầm giám sát của mạng

Danh sách đen là những số IMEI của các ME bị đánh cắp hay là 1 ME không được đồng ý dùng trong mạng GSM. Những đầu cuối này sẽ không được phép kết nối vào mạng

ME có thể được phân lọai thuộc danh sách trắng, đen hay xám cho biết trạng thái của MS

Đây là 1 thiết bị tùy chọn. Nó có thể được dùng bởi nhà điều hành mạng để điều khiển truy nhập đến mạng cho phép, giám sát hay ngăn cấm(đối với thiết bị bị đánh cắp) kết nối mạng.

2.3 Các giao diện trong mạng GSM

2.3.1 Giao diện A Đây là giao diện giữa MSC và BSS của nó. Giao diện này được dùng để mang thông tin liên

quan đến: Quản lý BSS Xử lý cuộc gọi Quản lý tính di động

2.3.2 Giao diện Abis Đây là giao diện giữa BSC và BTS để hổ trợ những dịch vụ cung cấp cho thuê bao. Giao diện

này cũng cho phép điều khiển thiết bị vô tuyến và cấp phát tần số vô tuyến trong BTS. 2.3.3 Giao diện B

Đây là giao diện giữa MSC và VLR. Dùng trong các trường hợp sau: Bất cứ khi nào MSC cần dữ liệu liên quan đến 1 MS đang nằm trong vùng phục vụ của nó, nó sẽ truy vấn VLR


Trang 14

Khi 1 MS thực hiện 1 thủ tục cập nhật vị trí với 1 MSC, MSC sẽ nhắc nhở VLR của nó cất giữ thông tin liên quan Khi 1 thuê bao kích họat 1 dịch vụ cộng thêm đặc biệt nào đó hay bổ sung 1 vài dữ liệu về 1 dịch vụ, MSC sẽ yêu cầu (thông qua VLR) HLR cất giữ các thông tin bổ sung này và HLR cập nhật cho VLR nếu được yêu cầu

2.3.4 Giao diện C Đây là giao diện giữa MSC và HLR. GMSC phải truy vấn HLR lấy thông tin định tuyến cho 1

cuộc gọi hay 1 tin nhắn đến thuê bao 2.3.5 Giao diện D

Đây là giao diện giữa VLR và HLR. Giao diện này được dùng để trao đổi dữ liệu liên quan đến vị trí thuê bao và để quản lý thuê bao. Dịch vụ chính của 1 thuê bao di động là thiết lập hay nhận cuộc gọi trong 1 mạng. Để hổ trợ dích vụ này, các thanh ghi vị trí phải trao đổi dữ liệu với nhau

Khi MS di chuyển sang MSC khác, VLR thông báo cho HLR biết vị trí của MS và cung cấp cho nó (khi thiết lập cuộc gọi) số roaming của MS đó. HLR gửi cho VLR tất cả thông tin để hổ trợ dịch vụ của MS đó. HLR sau đó yêu cầu VLR cũ hủy bỏ thông tin vị trí của MS đó

Việc trao đổi thông tin có thể xảy ra khi: MS yêu cầu 1 dịch vụ cụ thể nào đó MS muốn thay đổi vài thông tin thuê bao Một thông tin của thuê bao được bổ sung bởi các phương tiện quản trị

2.3.6 Giao diện E Đây là giao diện giữa các MSC. Khi 1 MS di chuyển từ 1 MSC tới 1 MSC khác trong 1 cuộc gọi. Một thủ tục chuyển giao phải được thực hiện để dùy trì cuộc gọi. Vì mục đích đó các MSC phải trao đổi dữ liệu để khởi tạo 1 kênh ở MSC mới và giải phóng kênh ở MSC cũ

Sau khi chuyển giao thành công các MSC sẽ trao đổi thông tin để truyền báo hiệu giao diện A nếu cần thiết. Khi 1 tin nhắn được truyền giữa MS và trung tâm dịch vụ nhắn tin(Short Message Service Centre-SC), giao diện này được dùng để truyền bản tin giữa MSC phục vụ MS và MSC nối với trung tâm dịch vụ nhắn tin 2.3.7 Giao diện F

Đây là giao diện được dùng giữa MSC và EIR để trao đổi dữ liệu, để EIR có thể xác định tình trạng MS thông qua số IMEI 2.3.8 Giao diện G Đây là giao diện giữa các VLR. Khi 1 MS di chuyền từ vùng phục vụ của VLR này sang vùng phục vụ của VLR khác thủ tục cập nhật vị trí sẽ xảy ra. Thủ tục này nhằm lấy lại thông số IMSI và các thông số nhận thực từ VLR cũ 2.3.9 Giao diện Um

Đây là giao diện giữa MS và BSS 2.3.10 Giao diện H


Trang 15

Đây là giao diện giữa HLR và AuC. Khi HLR nhận 1 yêu cầu cung cấp dữ liệu cho nhận thực và mật mã cho 1 MS, HLR không giữ dữ liệu yêu cầu, HLR sẽ yều cầu dữ liệu từ AuC. Giao thức này được dùng để truyền dữ liệu trên giao diện này


Trang 16

Phần 3: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN

3.1 Giới thiệu Giao diện vô tuyến là giao diện giữa đầu cuối di động (MS) và trạm thu phát gốc

(BTS) mà nó được truy nhập. 3.2 Cấp phát phổ tần trong GSM 3.2.1 Phổ trong thông tin di động

Phổ vô tuyến là một tài nguyên giới hạn Các dải tần đang sử dụng trong thông tin di động

Toàn bộ phổ vô tuyến được chia thành các băng tần như VHF, UHF…băng tần

UHF được sử dụng trong thông tin di động. Cấp phát tần số

Các yếu tố để chọn băng tần sử dụng: Vị trí Mức công suất Loại điều chế Băng thông

Các tổ chức qui định về cấp phát tần số trên thế giới: ITU (International Telecomunication Union) ESTI (European Telecommunications Standards Institute) RA (Radiocommunications Agency) tại Hoa kỳ

Chi phí chính ban đầu cho các nhà khai thác mạng là tìm được licence sử dụng một phần băng tần vô tuyến. Phương pháp cấp phát băng tần hoạt động khác nhau trong các


Trang 17

nước, nhưng có thể được đấu giá hoặc chọn trực tiếp nhà hoạt động bởi tổ chức chính phủ. 3.2.2 Phổ GSM cơ bản Phổ P-GSM (Primary GSM)

GSM sử dụng phân chia tần số song công (FDD), mỗi kênh đường lên và xuống

hoạt động ở một tần số khác nhau. Do đó, có 2 băng tần đựơc cấp cho GSM, cách nhau 20MHz.

Băng tần đầu tiên được cấp trong GSM (P-GSM): Băng tần 890MHz đến 915MHz cho đường lên (uplink) từ MS đến BTS Băng tần 935MHz đến 960MHz cho đường xuống (downlink) từ BTS đến MS Mỗi băng tần được chia thành một số sóng mang, mỗi sóng mang có băng thông

200KHz. Do đó có 125 sóng mang cho mỗi băng tần lên, xuống. Trong đó, một kênh được dùng như kênh bảo vệ, điều này làm giảm số kênh còn 124 kênh.

Hai tần số ấn định cho mỗi cặp kênh cách nhau 45MHz. Mỗi cặp tần số được nhận dạng bởi một số ARFCN (Absolute Radio Frequency

Channel) Tính toán tần số kênh đường lên và xuống: Các tần số uplink: Ful (n) = 890 MHz + (0,2 MHz) × n Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz

n = ARFCN với 1 n 124 3.2.3 Phổ E-GSM (Extended-GSM)


Trang 18

E-GSM cấp thêm 10MHz của băng thông tại đầu cuối của băng tần đường lên và

xuống. Các băng tần như sau: Đường uplink: 880MHz đến 915MHz Đường downlink: 925MHz đến 960MHz Kết quả: Thêm 50 cặp sóng mang (các kênh 10MHz/200KHz) Giảm khoảng cách băng thông giữa băng tần đường lên và đường xuống từ 20MHz

xuống10MHz. Tăng kích thước băng tần đường lên và xuống từ 25MHz lên 35MHz Cấp dãy sóng mang tần số vô tuyến mới từ 975-1023. Sóng mang tần số vô tuyến 0 trong P-GSM chuyển từ băng bảo vệ thành một sóng

mang tần số vô tuyến có giá trị. Các kênh tần số vô tuyến đường lên và xuống trong E-GSM được tính như sau: Các tần số uplink: Ful (n) = 890 MHz + (0,2 MHz) × n (0<=n<=124)

Ful(n)=890MHz+(0,2MHz)× (n – 1024) (975<=n<=1023) Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz

3.2.4 Phổ DCS 1800


Trang 19

Hệ thống thông tin số (DCS) -1800 giới thiệu dãy phổ 1800MHz cho GSM. Đặc tính của các tần số vô tuyến trong dãy này, tiêu biểu là DCS-1800 được dùng cho các microcell có vùng phủ nhỏ hơn các macrocell GSM-900 đang tồn tại. Mỗi cặp tần số đường lên và xuống cách nhau 95MHz và khoảng cách giữa 2 băng là 20MHz: Băng tần uplink: 1710MHz đến 1785MHz Băng tần downlink: 1805MHz đến 1880MHz Mỗi băng được chia thành các sóng mang 200KHz. Như vậy, có 374 sóng mang

trong mỗi băng tần đường lên và xuống. Số kênh trong dãy 512-885 (ARFCNs). Cặp kênh ấn định được sắp xếp ở 2 tần số cách nhau 95MHz. Các tần số kênh đường lên và xuống trong DCS-1800 được tính như sau: Các tần số uplink: Ful (n) = 1710.2 MHz + (0,2 MHz) × (n – 512)

(512<=n<=885) Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 95 MHz Sử dụng băng tần 1800MHz tại UK Việc phân bố các tần số tại UK hiện tại của các nhà khai thác là:

Biểu đồ phổ này cho thấy cách phân bố băng tần 1800MHz giữa các nhà khai thác

tại UK.

3.2.5 Phổ PCS-1900


Trang 20

Hệ thống thông tin riêng (PCS)-1900MHz được dùng tại USA và Trung Mỹ để cung cấp dịch vụ tương tự như GSM. Băng tần 1900MHz được chọn tại USA vì thiếu băng tần 1800. Mỗi dải tần đường lên và xuống là 60MHz, khoảng cách giữa 2 dải tần là 20MHz. Băng tần uplink: 1850MHz đến 1910MHz Băng tần downlink: 1930MHz đến 1990MHz Mỗi băng được chia thành các sóng mang 200KHz, do đó, có 299 sóng mang trong

mỗi băng đường lên và xuống. Số kênh trong dải 512-810 (ARFCNs) Cặp kênh ấn định được sắp xếp ở 2 tần số cách nhau 80MHz. Các tần số kênh đường lên và xuống trong DCS-1900 được tính như sau: Các tần số uplink: Ful (n) = 1850.2 MHz + (0,2 MHz) × (n – 512)

(512<=n<=810) Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 80 MHz

3.2.6 Phổ GSM -450 GSM-450 chuẩn được phát triển từ một nghiên cứu để đánh giá chuẩn số thay thế

toàn bộ hệ thống NMT-450 tương tự. Thuận lợi của băng tần 450MHz so với băng tần GSM đang tồn tại (900/1800/1900) là tăng vùng phủ trên cell và số lượng trạm ít hơn trong cùng một khu vực triển khai so với thiết lập trên 3 băng tần . Nó cũng cung cấp thêm dung lượng.


Trang 21

3.3 Kỷ thuật đa truy cập trong GSM Mục đích: cho phép nhiều user chia sẽ tài nguyên của giao diện vô tuyến trong một

cell. Các phương pháp:

FDMA (Frequency Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia tần số TDMA (Time Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia thời gian CDMA (Code Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo mã

Kỹ thuật đa truy nhập cho phép sử dụng hiệu quả hơn phổ vô tuyến. Các hệ thống thế hệ thứ nhất chỉ sử dụng FDMA, sử dụng hoàn toàn một sóng mang vô tuyến để ấn định cho một người dùng qua cuộc gọi. Điều này làm giảm hiệu suất sử dụng phổ. 3.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Chia phổ tần số có sẳn thành các kênh, mỗi kênh sử dụng hoàn toàn một băng thông Việc phân chia kênh đạt được bởi các bộ lọc:

Tính chọn lọc tốt Các băng bảo vệ giữa các kênh

Mỗi user truy nhập vào mạng trên 1 tần số khác nhau . Chỉ một người dùng trên kênh tần số tại một thời điểm Hạn chế: Dung lượng không cao do tài nguyên băng thông hạn chế Nhiễu xuyên kênh cao

3.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Truy nhập vào phổ được giới hạn trong các khe thời gian Mỗi user được cấp phát phổ trong suốt một khe thời gian Các khe thời gian được lặp lại trong các khung.


Trang 22

TDMA được phép sử dụng trong các hệ thống số như GSM mà các luồng dữ liệu có

thể được chia thành các cụm và được ấn định vào một khe thời gian. 3.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập sử dụng trong GSM

GSM sử dụng kết hợp cả 2 kỹ thuật đa truy nhập FDMA và TDMA trên giao diện

vô tuyến: FDMA để cung cấp các sóng mang và TDMA để chia sẻ truy cập vào các sóng mang. 3.4 Các kênh trong giao diện vô tuyến

GSM định nghĩa 2 loại kênh cơ bản Kênh vật lý: Trong thông tin di động, băng thông của hệ thống được chia thành các băng tần nhỏ, mỗi băng tần này được gọi là 1 kênh tần số. Mỗi kênh tần số được phân chia thành 8 khe thời gian Mỗi khe thời gian (TS) được gọi là kênh vật lý. Một nhóm 8 khe thời gian trên một sóng mang được xem như một khung TDMA


Trang 23

Một cụm dữ liệu (data burst) (chu kỳ 0.577ms hay 156.25 bit) được truyền trên một kênh vật lý. Kênh luận lý (kênh logic) Tùy vào nội dung thông tin được truyền trên các kênh vật lý mà được chia thành các kênh logic khác nhau. Một kênh vật lý có thể hỗ trợ một hay nhiều các kênh logic

Hai loại kênh logic được định nghĩa: kênh lưu lượng và kênh điều khiển Mỗi kênh được chia thành các kênh phụ như sau:

3.4.1 Kênh lưu lượng (TCH)

Một kênh vật lý (một khe thời gian) có thể hỗ trợ: 1 TCH/F (Full rate) hay 2 TCH/H (Half rate) TCH/F: mang thông tin ở tốc độ 13Kbps voice hay 9.6Kbps data, được cấp phát

hoàn toàn kênh vật lý trên một khe thời gian trong khung TDMA. TCH/H: mang thông tin ở tốc độ 6.5Kbps voice hay 4.8Kbps data, 2 kênh lưu

lượng được ấn định trên 1 kênh vật lý đơn. Đồng bộ đường lên/xuống


Trang 24

MS phát cụm trễ 3 khe thời gian sau cụm từ BTS. Trễ này cho phép: Sử dụng cùng số khe thời gian cho trong khung TDMA cho cả đường lên và

xuống. Cho phép thời gian trể (TA) mà có thể giảm trể 3 khe thời gian. Cung cấp thời gian cho MS để chuyển giữa các chế độ thu và phát

3.4.2 Các kênh quảng bá (BCH) Tất cả các kênh thuộc kênh BCH (kênh tần số điều khiển) chỉ được sử dụng cho

đường xuống và được cấp phát trên khe thời gian 0 (TS0). Các kênh BCH gồm: Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency control channel) gởi đến MS 1 cụm tất

cả các bit “0” hoạt động như một mào đầu và cho phép MS hiệu chỉnh tần số đường xuống và đồng bộ thời gian.

Kênh đồng bộ SCH (Synchronisation channel) cho phép đồng bộ số khung TDMA bằng việc gởi giá trị tuyệt đối của số khung (FN) cùng với mã nhận dạng trạm gốc BSIC.

Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broadcast control channel) gởi thông tin riêng của mạng như các bản tin quản lý tài nguyên vô tuyến và điều khiển, nhận dạng khu vực vị trí (LAI), công suất phát tối đa cho phép truy cập vào cell

Kênh quảng bá (BCH): phát quảng bá thông tin chung trên cơ sở một kênh cho một BTS.

3.4.3 Kênh điều khiển chung (CCCH) CCCH chứa tất cả các kênh đường xuống điểm đến đa điểm (BTS đến vài MS) và

kênh truy cập ngẫu nhiên đường lên (RACH): Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel): được phát bởi MS

để yêu cầu tài nguyên trong mạng, ví dụ như là một kênh SDCCH cho việc thiết lập cuộc gọi.

Kênh chấp nhận truy cập AGCH (Access Grant Channel) được dùng để cấp phát một kênh dành riêng SDCCH cho một MS.

Kênh tìm gọi PCH (Paging channel) gởi bản tin tìm gọi để thông tin cho MS về một cuộc gọi.

Kênh quảng bá cell CBCH (Cell Broadcast Channel) phát quảng bá các bản tin SMS.

Kênh NCH được dùng cho các dịch vụ thoại như dịch vụ VBS (voice broadcast service) hay VGCS (voice group calling service).

3.4.4 Kênh điều khiển dành riêng (DCCH) DCCH bao gồm các kênh điều khiển hai hướng (lên/xuống)


Trang 25

Kênh điều khiển dành riêng SDCCH (Standalone Dedicated Channel) được dùng để thiết lập cuộc gọi, cập nhập vị trí và SMS.

Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Associated Control Channel) sử dụng cho cả đường lên để gởi các bản tin đo và đường xuống để gởi các lệnh điều khiển công suất và các lệnh chuyển giao cuộc gọi.

Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (Fast Associated Control Channel) được dùng (khi cần) cho báo hiệu cuộc gọi, chủ yếu cho việc phát các bản tin chuyển giao và để nhận biết khi một TCH được ấn định.

3.5 Cấu trúc khung, đa khung 3.5.1 Khái niệm đa khung

Đa khung được dùng để mô tả sự lặp lại các TS, được phát liên tục trên một kênh vật lý. 3.5.2 Đa khung kênh lưu lượng (TCH)

Khi một user được ấn định một TS trong một khung TDMA cho một cuộc gọi, thông thường user dành riêng TS (lưu lượng toàn tốc) trong suốt cuộc gọi. Vì vậy, user phát một cụm dữ liệu trên 1 TS của khung TDMA. Tuy nhiên sau 12 cụm được gởi, 1 cụm kênh logic SACCH được chèn vào và sau 12 cụm lưu lượng được gởi tiếp thì một cụm rỗi (idle burst) được chèn. Điều này được lặp lại liên tục cứ sau 26 cụm đến khi kết thúc cuộc gọi. Sự lặp lại 26 cụm kênh lưu lượng được xem là đa khung kênh lưu lượng. Cụ thể:

Đa khung TCH bao gồm 26 TS Đa khung TCH ánh xạ các kênh logic sau: TCH, SACCH, FACCH Ngoài các TS TCH va SACCH, kênh lưu lượng cũng mang thông tin FACCH.

FACCH là kênh logic duy nhất không dành riêng TS truyền dẫn. FACCH đánh cắp TS của TCH khi được yêu cầu.

3.5.2.1 Thời gian của một đa khung TCH Một đa khung là sự thiết lập liên tục của cùng một TS trong khung TDMA.

Chu kỳ khung TDMA là 4.615ms, do đó, thời gian cho 1 đa khung được tính là: chiều dài của đa khung (các TS) x 4.615ms.


Trang 26

3.5.2.2 Chức năng SACCH trong đa khung TCH: Trong suốt một cuộc gọi MS liên tục giám sát mức công suất từ các cell

neighbor. Việc giám sát được thực hiện trong các khoảng giữa thời gian ấn định TS. Suốt mỗi đa khung kênh lưu lượng, có một cụm SACCH đường lên được dùng để gởi báo cáo kết quả đo về cell phục vụ hiện tại.

BTS dùng cụm SACCH đường xuống để gởi lệnh điều khiển công suất và các báo hiệu điều khiển cuộc gọi khác cho MS 3.5.2.3 Chức năng kênh Idle trong đa khung TCH.

TS Idle (TS 25 trong đa khung) xảy ra khi MS hoạt động ở chế độ half rate TCH/H, 2 MS chia sẽ đa khung. Khi đó slot 25 sẽ là một cụm SACCH thứ hai thiết lập report đến trạm gốc. 3.5.2.4 Chức năng FACCH trong đa khung TCH

FACCH được dùng để yêu cầu truy nhập ngay khi có bản tin lệnh chuyển giao từ trạm gốc. Khi cần, FACCH dùng một cụm TCH và thiết lập “cờ đánh cắp” trong cụm để thông báo nó không là cụm kênh lưu lượng.

3.5.3 Đa khung kênh điều khển 3.5.3.1 Sóng mang BCCH

Một cell có thể có nhiều sóng mang (nhiều tần số) nhưng phải có ít nhất một TS của một trong các sóng mang đó dành cho chức năng điều khiển. Kênh điều khiển vật lý này vận chuyển một số các kênh báo hiệu logic trên TS0. Quan trọng nhất của các kênh báo hiệu logic này là kênh BCCH vì nó mang thông tin cấu hình mạng. Vì lý do này mà sóng mang chứa kênh logic BCCH được xem như “sóng mang BCCH” 3.5.3.2 Cấu trúc đa khung kênh điều khiển

Đa khung kênh điều khiển ghép các kênh logic báo hiệu vào một kênh vật lý đơn.


Trang 27

Các kênh logic truyền thông tin điều khiển được tổ chức lặp lại mỗi 51 TS0

trong liên tục 51 khung TDMA. 3.5.3.3 Đa khung kênh điều khiển kết hợp và không kết hợp (combined và non-combined)

Kênh CCCH là các block báo hiệu (mỗi 4 TS) đựơc ấn định các kênh báo hiệu dành riêng tùy thuộc vào dung lượng báo hiệu yêu cầu. Bao gồm sự ấn định: SDCCH, SACCH, AGCH và PCH.

Khi các yêu cầu dung lượng báo hiệu được tính toán, có thể dung lượng trên một kênh điều khiển đơn có sẳn không đủ, trong trường hợp này thêm kênh vật lý ấn định cho báo hiệu.

Khi đa khung kênh báo hiệu vật lý yêu cầu ấn định sóng mang BCCH dùng TS 2, 4 hay 6 (ngoài TS0). Ghép kênh báo hiệu được sắp xếp trong cả hai định dạng kết hợp (combined) và không kết hợp (non-combined). Cấu trúc của ghép kênh báo hiệu có thể thay đổi tùy thuộc vào dung lượng báo hiệu yêu cầu.

Cấu hình ghép kênh báo hiệu Trong đa khung không kết hợp, có thể dành 7 trong 9 blocks cho AGCH.

Trong đa khung kết hợp, có thể dành 2 trong 3 blocks cho AGCH.

Số blocks CCCH dành riêng cho AGCH được chỉ định trong bản tin thông tin

hệ thống mà MS đọc trên BCCH.


Trang 28

3.5.4 Phân bậc cấu trúc đa khung trong GSM Cấp bậc khung (Frame)

3.5.4.1 Siêu khung (superframe)

Mục đích cơ bản của lớp siêu khung là để cung cấp một điểm mà tại đó đa khung kênh lưu lượng và đa khung kênh điều khiển được đồng bộ. Vì vậy, 51 đa khung TCH của 26 khung được nhóm lẫn nhau và 25 đa khung CC của 51 khung được nhóm. Trong cả hai trường hợp, thời gian của 1 siêu khung là 26x51 frame=6.12s. 3.5.4.2 Siêu siêu khung

Kênh đồng bộ (SCH) phát số khung (FN) TDMA mà cho phép một MS đồng bộ với trạm gốc tại mức khung TDMA. FN là một số 22 bit mà được reset sau mỗi siêu siêu khung (sau 2048x26x51=2715648 frame TDMA)


Trang 29

Phần 4: CÁC NGHI THỨC TRONG GSM 4.1 Giới thiệu

Bất cứ khi nào các hệ thống trao đổi thông tin với nhau đều phải sử dụng nghi thức. Nghi thức là tập hợp các định nghĩa và thỏa thuận để trao đổi thông tin.

4.2 Mô hình OSI 7 lớp Mô hình OSI 7 lớp xác định nhiều chức năng phục vụ cho thiết lập và phục vụ

thông tin giữa các điểm cuối trong mạng. 7 lớp có thể chia thành hai khối chức năng chung:

Các lớp chức năng ứng dụng: lớp 4-7 trong mô hình OSI và liên quan tới các chức năng end-to-end giữa hai hay nhiều user ở ngoại vi mạng.

Các lớp chức năng mạng: lớp 1-3 trong mô hình OSI bao gồm chức năng vận chuyển dữ liệu trong mạng.

Hình 4.1: Mô hình OSI

Chức năng của từng khối trong mô hình OSI

Application layer: cung cấp dịch vụ để hỗ trợ cho việc xử lý ứng dụng của user và điều khiển thông tin giữa các ứng dụng. Đây là lớp xem xét đến nhận thực và thông tin cá nhân của user, các giới hạn về cú pháp dữ liệu. Chức năng của lớp 7 có thể là file transfer, xử lý bản tin, vận hành và bảo dưỡng,..

Presentation layer xác định cách trình bày dữ, chuyển đổi cấu trúc dữ liệu của ứng dụng sang dạng cấu trúc chung cần thiết cho việc liên lạc giữa các ứng dụng. Lớp 6 bao gồm chức năng nén, mật mã dữ liệu.

Session layer thiết lập kết nối giữa các lớp presentation trong các hệ thống khác nhau. Nó cũng điều khiển kết nối, đồng bộ, giải phóng kết nối. Nó cho


Trang 30

phép lớp presentation xác định các checkpoint để bắt đầu truyền lại khi dữ liệu bị gián đoạn.

Transport layer: bảo đảm cho chất lượng dữ liệu được truyền không có lỗi theo thứ tự và không mất mát, ngắt quãng hoặc dư thừa. Điều khiển dòng từ nguồn tới đích. Lớp transport tối ưu thông tin dữ liệu bằng cách ghép hay chia các dòng dữ liệu trước khi đến mạng.

Network layer: chức năng cơ bản của lớp mạng là cung cấp transparent channel giữa các lớp transport của các hệ thống khác nhau. Nghĩa là, lớp ứng dụng yêu cầu cấp phát kênh mà không cần quan tâm đến lỗi về mạng vì đây là nhiệm vụ của các lớp dưới. Lớp mạng thiết lập, bảo trì và giải phóng kết nối giữa các node mạng và xử lý địa chỉ và định tuyến các mạch.

Data link layer: truyền dẫn một cách tin cậy (error-free) dữ liệu lớp mạng thông qua một liên kết đơn (point to point), phát hiện lỗi đường truyền, sửa lỗi, điều khiển luồng và truyền lại, đồng bộ cho mức vật lý, nhồi bit cho các chuỗi có số bit 1 nhiều hơn 5.

Physical layer cung cấp các tài nguyên cơ, điện, chức năng, thủ tục để kích hoạt, bảo trì, khóa các mạch vật lý dùng cho việc truyền bit giữa các data link layer. Lớp vật lý có chức năng chuyển dữ liệu thành các dạng tín hiệu tương thích với môi trường truyền.

4.3 Khái quát về các nghi thức GSM Mạng GSM có nhiều nghi thức khác nhau để điều khiển luồng dữ liệu và báo hiệu

giữa các phần tử trong mạng. Vì GSM là mạng vận chuyển nên nó chủ yếu gồm 3 lớp dưới trong mô hình OSI. Nội dung chương này chủ yếu phân tích các nghi thức sử dụng trong GSM từ lớp 1 tới lớp 3.

4.3.1 Lớp 1: Lớp vật lý bao gồm các chức năng cần thiết để truyền các dòng bit qua môi

trường vật lý. Nó cung cấp dịch vụ vận chuyển cho các kênh GSM logic, bao gồm các dịch vụ:

Khả năng truy nhập (GSM 0408): Các kênh logic được ghép kênh trên các kênh vật lý. Các kênh vật lý là những đơn vị được sắp xếp theo thời gian trong môi trường vô tuyến. Trong đó, một số được dùng cho sử dụng chung như tổ hợp CCCH và BCCH, số khác dùng để kết nối với MS (các kênh vật lý được ấn định).

Phát hiện lỗi: tự sửa lỗi (forward error correction) hay yêu cầu truyền lại (backward error correction) thực hiện ở lớp 1. Các khung lỗi sẽ không được chuyển tới lớp 2.

Mã hóa dữ liệu


Trang 31

4.3.2 Lớp 2 sử dụng nghi thức LAPDm, bao gồm các chức năng:

Truyền không kết nối trên các kênh báo hiệu điểm đến điểm hay điểm đến đa điểm.

Thiết lập và giải phóng các kết nối lớp 2 trên các kênh báo hiệu điểm tới điểm.

Truyền hướng kết nối, bảm đảm cho việc truyền theo thứ tự, phát hiện và sửa lỗi.

4.3.3 Lớp 3: Lớp 3 bao gồm các phân lớp điều khiển các kênh báo hiệu (BCH, CCCH và

DCCH):

Quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management - RR): lớp quản lý RR có chức năng thiết lập và giải phóng các kết nối giữa MS và MSC trong suốt một cuộc gọi, và duy trì kết nối khi MS di chuyển. RR thực hiện các chức năng: lựa chọn cell, handover, cấp phát và giải phóng các kênh point-to-point, giám sát và chuyển tiếp của các kết nối vô tuyến, giới thiệu mật mã (các loại có thể sử dụng), thay đổi cơ chế truyền.

Quản lý di động (Mobility management - MM) thực hiện các chức năng cần thiết cho di động như: nhận thực, cấp phát lại TMSI, quản lý vị trí thuê bao.

Quản lý kết nối (connection management - CM) dùng để set-up, duy trì và giải phóng các kết nối cuộc gọi, bao gồm ba nhóm nhỏ: Điều khiển cuộc gọi: quản lý các kết nối cuộc gọi Hỗ trợ dịch vụ gia tăng Hỗ trợ dịch vụ tin nhắn (SMS-short message service)

Cả BTS và BSC đều không đọc được bản tin CM và MM. Các bản tin này được trao đổi giữa MS và MSC theo nghi thức DTAP (Direct Transfer Application Part) trên giao diện A.

Các bản tin RR được ánh xạ vào BSSAP (Base Station System Application Part) để trao đổi với MS.

4.4 Nghi thức truyền Nghi thức truyền liên quan tới việc vận chuyển về mặt vật lý dữ liệu thô trong mạng

GSM và các nghi thức khác liên quan đến chức năng này.


Trang 32

Hình 4.2: Nghi thức truyền trong GSM

Ở mức truyền dẫn, lớp vật lý cung cấp các kênh tốc độ 13kbps. Tuy nhiên, để thích ứng với các nhược điểm của giao diện vô tuyến, phát hiện và tự sửa lỗi được thực hiện dựa vào các mào đầu (overhead).

Thêm vào đó, lớp truyền dẫn điều khiển các quá trình mã hóa và truy nhập FDMA/TDMA trên giao diện vô tuyến.

Tại một số giai đoạn, các kênh 13kbps được chuyển thành 64kbps để vận chuyển qua mạng PSTN. Chức năng này được thực hiện bởi phần tử mạng TRAU (Transcoder and Rate Adaption Unit).

Chức năng chính của TRAU là chuyển các kênh thoại 16 kbps thành các kênh PCM 64 kbps trên đường lên và ngược lại ở đường xuống. Chức năng này cần thiết vì MSC chỉ có thể chuyển mạch ở mức kênh 64 Kbps.

Do đó, khi thực hiện cuộc gọi giữa hai MS, kênh khởi đầu phải chuyển từ 16 Kbps thành 64 Kbps, chuyển mạch bởi MSC và sau đó chuyển lại thành 16 Kbps để truyền tới MS đích. Việc chuyển đổi tốc độ được thực hiện dựa theo luật A. Về mặt kỹ thuật TRAU có thể đặt ở BTS, BSC hay MSC nên có thể cài đặt nhiều cấu hình khác nhau.


Trang 33

Hình 4.3: Cấu hình TRAU.

Nếu TRAU được cài đặt ở BTS, mỗi kênh GSM 16 Kbps sẽ được ánh xạ thành các kênh PCM 64 Kbps. Do đó, cấu hình này gây lãng phí 75% băng thông truyền dẫn trên giao diện Abis và A.

Tuy nhiên, nếu TRAU được đặt ở MSC thì bộ ghép 4 kênh 16Kbps thành kênh PCM 64Kbps có thể được đặt tại BTS. Với cấu hình này, việc chuyển đổi 16kbps sang 64kbps chỉ cần thiết khi đến MSC, do đó, hiệu suất sử dụng truyền dẫn đạt giá trị tối đa bằng cách tăng số kênh trên một PCM 2048 từ 30 lên 120 kênh.

Bằng cách tập trung chức năng TRAU ở MSC, số lượng TRAU trong mạng sẽ giảm đáng kể.

G.703: TRAU chuyển các kênh GSM thành ISDN kênh D theo khuyến nghị của G.703. G.703 chỉ rõ các đặc tính vật lý, điện của các giao diện theo mức tốc độ bit (G.702). Các giao diện được định nghĩa các tính chất, đặc điểm ở đầu vào, đầu ra, kết nối chéo giữa các điểm, luật mã hóa,…

4.5 Nghi thức báo hiệu GSM


Trang 34

Hình 4.4: Nghi thức báo hiệu

Báo hiệu trong GSM gồm có các nghi thức:

Nghi thức lớp 1: TDMA – đa truy nhập phân chia theo thời gian

G.703 – cấu trúc khung PCM (ITU)

MTP – message transfer part

Nghi thức lớp 2 LAPDm nghi thức truy nhập di động kênh D

LAPDm nghi thức truy nhập kênh D

Nghi thức lớp 3 RR – quản lý tài nguyên vô tuyến

MM – quản lý di động

CM – quản lý kết nối

BTSM – quản lý BTS

BSSMAP – BSS management application part

DTAP – Direct transfer application part

Hình 4.5: Danh mục các tài liệu tham khảo cho từng nghi thức.

4.6 Nghi thức trên giao diện Um Giao diện Um kết nối MS và mạng cố định như BTS.


Trang 35

Lớp 1: Môi trường vật lý ở lớp 1 là đường vô tuyến UHF được điều chế GMSK.

Cấu trúc truyền dựa vào cấu hình kênh D ISDN 16Kbps, sử dụng phương pháp truy nhập TDMA. Lớp 1 bao gồm chức năng nén, mã hóa kênh để tự sửa lỗi (FEC), chèn bit, mật mã, điều chế.

Lớp 2: Lớp 2 dùng nghi thức LAPDm, phiên bản chỉnh sửa từ nghi thức ISDN

LAPD của mạng cố định. LAPD và LAPDm khác nhau ở chỗ chức năng phát hiện và sửa lỗi trên giao diện Um được thực hiện ở lớp1. Các khung trên LAPD có thể dài hơn nhiều so với khung LAPDm vì các khung LAPDm phải vừa với các burst.

Chức năng chính của lớp 2 là vận chuyển các bản tin một cách trong suốt giữa các entities lớp 3. Chức năng lớp 2 còn bao gồm setup - giải phóng kết nối, bảo đảm dữ liệu truyền theo đúng thứ tự và hoạt động theo chế độ acknowledged hay unacknowledged.

Lớp 3: các bản tin báo hiệu ở lớp 3 thực hiện một trong 3 chức năng: quản lý điều khiển cuộc gọi, quản lý di động, quản lý tài nguyên vô tuyến.

4.7 Nghi thức trên giao diện Abis Giao diện Abis kết nối giữa BTS và BSC trong khối BSS. Môi trường vật lý trên

giao diện này có thể là cáp đồng, cáp quang hay vi ba.

Lớp 1: cấu trúc đường truyền vật lý dựa vào cấu hình kênh D ISDN 16kbps. 4 kênh D được ghép kênh trên một kênh B ISDN và sau đó ghép kênh trên đường E1 2048 Kbps (32 kênh 64 Kbps).

Lớp 2: nghi thức lớp liên kết dữ liệu giao diện Abis dựa vào nghi thức truy nhập kết nối kênh D (LAPD). Bản thân nghi thức này lại dựa vào nghi thức HDLC (High-level data link control). LAPD hoạt động tương tự như LAPDm nhưng trên giao diện Abis giữa BTS và BSC.

Lớp 3 sử dụng nghi thức quản lý BTS (BTSM). Hầu hết các bản tin RR đều truyền thông qua BTS đến BSC và ngược lại. Chỉ có một số thông tin RR mà BTS cần dịch như thông tin truy nhập ngẫu nhiên của MS, bắt đầu ciphering và tìm gọi. BTSM bao gồm các chức năng để xử lý bản tin và quản lý BTS.

4.8 Nghi thức trên giao diện A Giao diện A giữa BSC và MSC được xem như một phần của mạng lõi GSM. Khác

với các giao diện Um và Abis, giao diện A hoạt động theo chuẩn báo hiệu SS7. Các nghi thức trên giao diện này được chỉ rõ trong loạt tài liệu 08 của ETSI.


Trang 36

Lớp 1: tương tự như lớp 1 trên giao diện Abis. Lớp báo hiệu 1 và 2: báo hiệu giao diện A dựa trên nghi thức SS7 bao gồm lớp

1 và lớp 2 theo mô hình chuẩn. Các bản tin trong mạng SS7 được vận chuyển qua MTP (message transfer part). MTP’ là phiên bản điều chỉnh của MTP để bảo vệ việc vận chuyển các bản tin báo hiệu trên giao diện A.

Lớp 3: lớp 3 sử dụng nhiều nghi thức cho nhiều chức năng khác nhau. Báo hiệu giữa BSC và MSC dùng BSSAP. BSSAP được chia thành BSSMAP và DTAP. Ngoài ra, các bản tin lớp 3 được vận chuyển qua SCCP.

DTAP dùng để vận chuyển các bản tin giữa MS và MSC như CC và MM. Tại giao diện A, các bản tin này truyền được từ MSC bằng DTAP, chuyển tiếp qua BSS trên giao diện Abis đến MS, BTS không cần dịch bản tin.

BSSMAP là nghi thức dùng cho quản trị tài nguyên vô tuyến. Tuy nhiên, một số chức năng cần có sự tham gia của MSC như một số trường hợp handover, giải phóng kết nối hay giải phóng kênh. Các hoạt động này được bắt đầu và điều khiển bởi MSC.

SCCP: các transaction báo hiệu giữa MSC và MS (CM và MM) cần phải thiết lập và nhận biết các kết nối logic riêng biệt.


Trang 37

Phần 5: MÃ HÓA THOẠI VÀ KÊNH 5.1 Giới thiệu

Hai quá trình mã hóa được sử dụng trong hệ thống GSM. Quá trình đầu tiên được dùng để chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Và quá trình mã hóa thứ hai là nén và bảo vệ thông tin dữ liệu truyền trên giao diện vô tuyến. 5.2 Kỷ thuật mã hoá thoại

Qui trình mã hóa thoại và kênh trong GSM

Thoại chứa nhiều thông tin hơn văn bản phiên dịch lại từ việc nói. Chúng ta có

thể nhận ra người nói, và nhận biết nhiều thông tin không được nói thành âm thoại… Mỗi khối trong qui trình liên quan các phương pháp xử lý thông tin thọai khác

nhau để đảm bảo chất lượng tín hiệu tạo lại tốt nhất trong băng tần nhỏ nhất. 5.2.1 Mã hoá thoại

Đường truyền GSM sử dụng kiểu điều chế số - thoại phải được chuyển thành các số nhị phân.

Lưu đồ mã hóa đơn giản nhất là điều chế xung mã (PCM) Chu kỳ lấy mẫu 125µs. Lấy mẫu với tần số 8KHz và dùng 8 bit để mã hóa tín hiệu nên tốc độ dữ liệu yêu

cầu 64Kbps. Tốc độ này quá cao cho băng thông có sẵn trên các kênh vô tuyến


Trang 38

Sơ đồ mã hóa thoại

Giai đoạn đầu của mã hóa thoại là chuyển tiếng nói được phát bởi micro xem

như tín hiệu tương tự thành tín hiệu số tương đương. GSM thực hiện chuyển đổi A/D bằng việc lấy mẫu tín hiệu thoại tương tự mỗi

125ms hay 8000 mẫu/s. Mỗi mẫu được lượng tử thành một trong 8192 mức điện áp. Mỗi mức này được biểu diễn bởi mã nhị phân 13bit (213). Vì vậy, mỗi giây có 8000x13bit mẫu tín hiệu tương tự được tạo ra, do đó, tốc độ dữ liệu thô là 104Kbps.

Luồng bit thô này được chia thành các block 20ms đưa vào bộ Vocoder RPE-LTP (vocoder regular pulse excitation-Long time prediction). Sau đó, mỗi block được xử lý riêng lẻ.

Bộ Vocoder chia mỗi block dữ liệu 20ms thành 3 phần: Dữ liệu mã hóa dự đoán tuyến tính thời gian ngắn (LPC) Dữ liệu dự đoán tuyến tính thời gian dài (LTP). Dữ liệu kích thích xung đều (RPE)

Speech digitisation


Trang 39

Dạng sóng của LTP và LPC được mã hóa như thông tin tần số và biên độ của các

block 36 bit, trong khi đó RPE được mã hóa block 188 bit để đảm bảo đặc tính âm thoại được tạo lại đúng.

Tốc độ dữ liệu 13Kbps phù hợp cho băng thông đường truyền trên giao diện vô tuyến. Vì vậy, mỗi 20ms block dữ liệu 2080 bit đưa vào đầu vào của bộ vocoder tạo ra đoạn dữ liệu 260 bit mỗi 20ms ở đầu ra. Vì vậy, một tỉ lệ nén xấp xỉ 10:1 đạt được mà không giảm chất lượng thoại có ích.

Sơ đồ mã hóa thoại RPE-LTP đơn giản

5.3 Kỷ thuật mã hoá kênh Sơ đồ mã hóa kênh trong GSM


Trang 40

Mã sửa lỗi Để tạo lại thông tin thoại, bộ giải mã cần tỉ lệ bit lỗi không quá 0.1%. Các kênh vô tuyến có tỉ lệ lỗi 1% hay nhiều hơn thì cần sửa lỗi. Mã hóa kênh giúp sửa lỗi Hai phương pháp sửa lỗi:

Backward error correction (BEC) Forward error correction (FEC)

5.3.1 Backward error correction Trong BEC, giả sử rằng nếu các bit kiểm tra được truyền một cách chính xác thì

các bit dữ liệu cũng chính xác. Nếu các bit kiểm tra không đến như mong muốn, hệ thống yêu cầu truyền lại.

Yêu cầu truyền lại tự động (ARQ) không thích hợp cho thoại vì thọai yêu cầu thời gian thực.

Các block được kiểm tra tại đầu cuối bằng việc so sánh FCS/BCS, nếu phát hiện

lỗi yêu cầu bộ phát truyền lại khối dữ liệu. BEC dùng mã hóa khối. BEC thích hợp cho truyền dữ liệu – không thích hợp cho truyền thọai.

5.3.2 Forward error correction Việc mã hóa sẽ thêm các bit mà cho phép dữ liệu gốc được tạo lại với một số

nhỏ các lỗi ngẫu nhiên. FEC không dùng cơ chế phát lại nên phù hợp cho truyền thọai


Trang 41

FEC thường được sử dụng trong mã hóa chập

5.3.3 Mã hóa khối (block channel coding) Block dữ liệu hiện hành (được truyền) được dùng để tạo một mã. Mã này được

gởi đi cùng với các bit dữ liệu gốc.

5.3.4 Mã hóa chập (convolutional channel coding)

Bộ mã chập được mô tả bởi tỉ lệ của các bit thông tin ngỏ vào trên các bít đã mã hóa ở ngõ ra mà được tạo bởi các bộ cộng trễ qua quá trình kết hợp dữ liệu từ các thanh ghi dịch.

Tỷ lệ mã mô tả số bit dư trong dữ liệu được mã hóa Tỷ lệ mã ½ truyền gấp hai lần số bit dữ liệu thật Tốc độ dữ liệu được chia đôi

Ví dụ, một bộ mã hóa tạo 2 bit ngõ ra cho mỗi bit thông tin đầu vào sử dụng một thanh ghi 5 bit được xem như một bộ mã hóa tỷ lệ mã ½ với một độ trễ là 5.

Nếu tỉ lệ lỗi cao, mã chập có thể làm tăng các lỗi Mã chập hiệu quả hơn mã khối, mã chập giảm tỉ lệ lỗi bằng việc tăng các bit truyền. Mã chập


Trang 42

Bộ mã hóa trên gồm 4 bit thông tin trên luồng bit vào các thanh ghi và đưa ra 2 đa thức:

Cộng modulo 2 của d4+d3+1 cho ra bit G0 Cộng modulo 2 của d4+d3+d1+1 cho ra bit G

2 bit này được đưa đến ngõ ra. Các bit được lưu trong các thanh ghi được chuyển đến thay thế ngay và bit thông tin kế tiếp được đưa vào. Quá trình trên được lặp lại.

Kết quả 2 bit được tạo ra cho mỗi bit thông tin được đưa vào bộ mã hóa. Các bit này không là dữ liệu gốc nhưng gần giống dữ liệu gốc. Vì vậy, mã chập không thể phát hiện lỗi, đơn giản nó tạo lại dữ liệu bằng việc dùng các thông tin được lưu trong các bit truyền.

5.4 Mã kênh GSM dùng kết hợp 2 phương pháp mã khối và mã chập. Đầu tiên, các bit thông tin

được mã khối, tạo ra các khối thông tin, mỗi khối liên kết với BCS (block check sequence). Tất cả các bit đã mã khối (gồm cả BCS) được chuyển qua bộ mã chập để đưa ra các bit mã cuối cùng.

Mã kênh TCH/F trong GSM

Lý do cho việc ‘kết hợp mã’ là vì mã hóa chập phía sau sẽ phát hiện và sửa tất cả

các lỗi. Tuy nhiên, nếu dữ liệu bị hư hỏng nặng, mã khối sẽ bỏ qua dữ liệu đó và yêu cầu phát lại khối dữ liệu bị hỏng.

Sơ đồ mã hóa trong GSM được mô tả như ‘sự kết hợp’ vì phân chia dữ liệu thành 3 class ưu tiên tuỳ thuộc vào sự quan trọng của dữ liệu với đặt tính thoại. Khi đó nó


Trang 43

cung cấp các mức mã hóa khác nhau. Mã cuối cùng là sự kết hợp 3 class trên để truyền.

Bộ mã kết hợp mô tả rõ tác dụng trong GSM. Mục đích của việc thêm 4 bit đuôi trong sơ đồ trên là để đảm bảo các thanh ghi trong bộ mã hóa được kích (flushed) sau mỗi khối 260 bit được mã hóa. 5.5 Ghép xen

5.5.1 Nguyên lý ghép xen Hiệu quả của mã chập dựa vào giả định rằng các lỗi được phân bố ngẩu nhiên.

Tuy nhiên, đường truyền vô tuyến xu hướng thiên về tần số - phụ thuộc loại ‘cụm’ lỗi cơ bản do fading. Do vậy, mã chập không thể bù số lượng lớn các lỗi liên tục trên một kênh tần số đơn. 5.5.2 Ghép xen khối

Để khắc phục điều này, các burst dữ liệu không được gởi theo thứ tự mà được

ghép xen dữ liệu giữa các TS trong một đa khung. Ghép xen được đưa ra sau mã sửa lỗi và được khôi phục lại trước khi giải mã. Vì

vậy, các lỗi được phân bố ngẫu nhiên. Ghép xen và các ảnh hưởng của ‘burst’ nhiễu


Trang 44

Trong ví dụ trên 8 block dữ liệu cho mỗi kênh (3 kênh) được truyền liên tục. Nếu một nhiễu cụm xảy ra trong đường truyền liên tục (không ghép xen), 6 block dữ liệu bị ảnh hưởng, 1 block trên kênh 1 và 5 block trên kênh 2. Điều này có thể không ảnh hưởng đến dữ liệu trên kênh 1 nhưng ảnh hưởng đến kênh 2.

Nếu các block dữ liệu trên các kênh được ghép xen, 6 block vẫn bị ảnh hưởng nhưng chỉ 2 block trên mỗi kênh ảnh hưởng. Vì vậy cụm nhiễu được giảm.

Ghép xen

Ngoài ra, tính năng của các thuật toán sửa lỗi hiệu quả nhất khi các lỗi được ngẫu nhiên. Vì vậy, khả năng sửa tất cả các lỗi được phân bố trên mỗi kênh sẽ cao hơn so với khả năng sửa tất cả các lỗi tập trung trên 1 kênh trong trường hợp không ghép xen. 5.5.3 Thực hiện ghép xen trong GSM

GSM thực hiện ghép xen để giảm ảnh hưởng của nhiễu cụm trên giao diện vô tuyến. Ghép xen xảy ra sau khi mã hóa kênh nhưng trước khi chuyển các luồng bit đã mã hóa vào các cụm dữ liệu.

Mức độ ghép xen dùng trong GSM phụ thuộc vào lưu lượng sóng mang. Khi block 456 bit dữ liệu được truyền qua:

- 8 TS cho thoại full rate - 4 TS cho hầu hết các kênh điều khiển - 19 TS cho truyền dữ liệu

Mỗi TS tương ứng với một cụm dữ liệu trên giao diện vô tuyến. 5.5.4 Ghép cụm vô tuyến

5.5.4.1 Nguyên lý ghép cụm vô tuyến Dữ liệu được truyền thành các block trên giao diện vô tuyến. Mỗi block được

xem như 1 ‘cụm’. 1 cụm đáp ứng 1 TS trong 1 khung TDMA 8 TS. Tùy thuộc vào chức năng của cụm, GSM định nghĩa một số loại cụm. Tuy

nhiên, tất cả đều có kích thước 156.25 bit trong khoảng thời gian 0.577ms


Trang 45

Tuy nhiên, tồn tại khoảng bảo vệ trên mỗi cụm để cung cấp một bộ đệm

trong TS. Vì vậy, kích thước cụm thường là kích thước của phần thông tin trong cụm. Ví dụ, 1 cụm bình thường “normal burst” 156.25 bit có khoảng bảo vệ 8.25 bit, vì vậy kích thước cụm thông tin là 148 bit.

Bit trong mỗi cụm được đánh số từ 0-156, ¼ bit cuối cùng đánh số 156. Bit 0 luôn được truyền đầu tiên.

5.5.4.2 Các loại cụm dữ liệu (data burst) Khoảng thời gian truyền 156.25 bit của một TS có thể tổ chức các loại burst

dữ liệu khác nhau.

GSM định nghĩa 5 loại cụm gồm:

Cụm bình thường (normal burst) Cụm đồng bộ (Synchronisation burst) Cụm hịêu chỉnh tần số (Frequency correction burst) Cụm truy nhập (Access burst) Cụm giả (Dummy burst)

Normal burst Normal burst là loại burst phổ biến nhất và được dùng thừơng xuyên để mang dữ

liệu người dùng như thoại qua kênh lưu lượng (TCH) và cho các kênh điều khiển khác ngoài các kênh FCCH, SCH, RACH. Kích thước burst thông tin là 148bit (8.25 bit bảo vệ). Cụm bao gồm các thành phần:


Trang 46

Block data: burst bao gồm 2 block data 57 bit (2x57). Các block này (kể cả các bit

đánh cắp) được mã hóa Tail Bit: burst bao gồm 2 block tail bit 3 bit (2x3). Các block này luôn thiết lập

0,0,0. Mục đích là hỗ trợ các bộ cân bằng xác định đầu/cuối mẫu bit. Training bit: Mỗi burst chứa chuỗi hướng dẫn 26 bit. Chuỗi này được dùng bởi bộ

cân bằng để bù vào thời gian thay đổi trên kênh. Stealing flag bit : Mỗi burst chứa 2 bit đánh cắp, mỗi bit liên kết với mỗi block

thoại/dữ liệu. 1 stealing bit được thiết lập lên 1 khi block dữ liệu mà nó liên kết bị FACCH đánh cắp để sử dụng.

Guard period: 8.25 bit bảo vệ không mang thông tin, cho phép khoảng thời gian trống giữa các TS liên tục để ngăn nhiễu giữa các TS. Khoảng bảo vệ cũng cho phép thời gian để bộ phát dịch lên hay dịch xuống. Frequency correction burst

Frequency correction burst được dùng để đồng bộ tần số của MS. Tất cả các bit

bằng 0 tương đương một sóng mang chưa điều chế với một tần số lựa chọn riêng. Lặp lại của 1 burst được xem như kênh hiệu chỉnh tần số (FCCH). Kích thước burst thông tin 148bit. Chức năng các tail bit và guard period như trong normal burst.

Synchronisation Burst

Synchronisation burst được dùng để đồng bộ thời gian của MS với BTS. Cơ bản

nó khác với normal burst: synchronisation burst có chuỗi hướng dẫn được mở rộng đến 64 bit và kích thước block dữ liệu giảm. Lặp lại của 1 burst được xem như kênh đồng bộ (SCH). Kích thước burst thông tin 148 bit. 1 burst đồng bộ bao gồm các thành phần: Block data: Burst bao gồm 2 block data 39 bit đã mã hóa. Các block này mang

thông tin về số khung TDMA và mã nhận dạng trạm gốc (BSIC). Nó đựơc quảng bá cùng với burst hiệu chỉnh tần số. Số khung (FN) được mật mã thành mẫu 19 bit để chỉ ra chính xác 1 khung trong siêu siêu khung và được lặp lại mỗi 2,715,648


Trang 47

khung . Số khung được dùng bởi MS để xác định loại kênh logic phát trên kênh điều khiển, TS0. BSIC cũng được dùng bởi MS để kiểm tra nhận dạng MS khi thực hiện đo công suất.

Training bit: chuỗi training bit mở rộng đến 64 bit được dùng để cho phép khoảng thời gian đồng bộ giữa MS và BTS. Các tail bit và guard bit chức năng tương tự như trong normal burst. Dummy burst

Định dạng của dummy burst giống như normal burst. Tuy nhiên nó không mang

thông tin. Nó thường được phát bởi BTS trên các TS của sóng mang BCH khi không có thông tin nào khác được gởi để các cell neighbor vẫn thực hịên đo công suất.

Access burst

Access Burst được dùng để truy nhập vào mạng, chỉ dùng cho đường uplink. Nó

cũng được dùng để yêu cầu tài nguyên từ các cell mới trong chuyển giao. Kích thước burst thông tin của burst truy nhập ngắn 88 bit. Các thành phần của burst truy nhập: Block data: Burst bao gồm 1 block dữ liệu 36 bit. Block này chứa thông tin yêu

cầu tài nguyên mạng của MS. Tail Bit: Burst bao gồm 1 block 3 bit đuôi bình thường và block 8 bit đuôi mở

rộng. Training bit: mỗi burst chứa một chuỗi hướng dẫn mở rộng 41 bit cho phép bộ cân

bằng cung cấp đủ thời gian cân chỉnh. Chuỗi này được dùng để đồng bộ giữa MS và BTS. BTS phát hiện chuỗi truy nhập 41 bit và tính giá trị timing advance sau đó được phát đến MS.

Guard period: khoảng bảo vệ được mở rộng đến 68.25 bit vì khi MS mới kết nối vào mạng nó không có thông tin về timing advance. Khoảng bảo vệ này cho phép timing advance tối đa ban đầu (giá trị timing advance max cần 64 bit) đến khi MS đựơc thông tin về mức timing advance chính xác.


Trang 48

Phần 6: Quản lý di động MM 6.1 Giới thiệu

MM (mobility management) là phân lớp trong nghi thức báo hiệu giữa MS và MSC. Các thông tin MM được trung chuyển thông qua BSS. MM thực hiện các chức năng điều khiển cần thiết cho thuê bao di động: nhận thực, cấp phát TMSI, quản lý vị trí thuê bao,..

6.2 Các quá trình quản lý di động (MM) 6.2.1 MM common procedures

MM common procedure cung cấp các thông tin nhận dạng thuê bao. Quá trình MM thông thường có thể bắt đầu khi các kết nối về tài nguyên vô tuyến (RR) đã tồn tại. Nhóm common procedure lại có thể chia thành 2 nhóm:

Quá trình do MS khởi động

Quá trình do mạng khởi động Các quá trình MM do mạng:

Quá trình cấp phát lại TMSI: cung cấp số nhận dạng tạm thời nhằm bảo mật các thông tin nhận dạng và vị trí của thuê bao. Mạng thực hiện quá trình này khi MS thay đổi LA, cập nhật vị trí theo định kỳ.

Quá trình nhận thực (authentication): mạng kiểm tra tính hợp lệ của thuê bao và cung cấp các thông số cho phép MS tính lại ciphering key mới.

Quá trình nhận dạng (identification): yêu cầu MS cung cấp thông tin nhận dạng cho mạng như IMSI, IMEI,…

Quá trình abort: mạng hủy các kết nối MM đã hoặc đang thiết lập. Quá trình abort chỉ thực thi được khi kết nối MM đang thiết lập hay đã thiết lập, không thực thi được trong quá trình MM specific hay IMSI detach.

Quá trình IMSI detach (rời mạng) là quá trình MM thông thường do MS khởi động tắt máy. Quá trình IMSI detach không thể khởi động được khi quá trình MM specific đang chạy. Quá trình này có thể hoãn lại cho đến khi MM specific kết thúc nếu không thì IMSI detach bị bỏ qua.

6.2.2 MM-specific procedures Quá trình MM-specific hỗ trợ cho tính di động của thuê bao, ví dụ như cung cấp

cho mạng về vị trí hiện tại của thuê bao. Một quá trình MM-specific không thể bắt


Trang 49

đầu khi một quá trình MM-specific đang thực hiện hay một MM connection đang tồn tại. Trong quá trình MM specific, nếu CM entity yêu cầu kết nối MM thì yêu cầu này sẽ bị từ chối hoặc chờ cho đến khi quá trình MM specific kết thúc. Các quá trình trong nhóm này gồm có:

Quá trình cập nhật vị trí bình thường

Quá trình cập nhật vị trí theo chu kỳ

Quá trình IMSI nhập mạng 6.2.3 Quá trình quản lý kết nối MM

Quá trình quản lý kết nối MM cho phép thiết lập, duy trì, giải phóng kết nối MM giữa MS và MSC, giúp cho các entity của lớp CM (call management) bên trên trao đổi thông tin lẫn nhau. Khi nhận được yêu cầu kết nối MM từ CM entity, phân lớp MM gửi yêu cầu thiết lập kết nối RR tới phân lớp RR. Khi kết nối RR đã thiết lập, mạng có thể bắt đầu quá trình MM common như nhận thực, cấp phát lại TMSI. Kết nối MM chỉ được thiết lập khi không có quá trình MM-specific nào đang chạy. Nhiều kết nối MM có thể tồn tại cùng một thời điểm.

6.3 Các trạng thái di động Thuê bao di động có thể có một trong ba trạng thái MS tắt máy, mở máy trong chế

độ idle, mở máy trong chế độ dedicated.

MS tắt máy (turn off) Trong trường hợp này mạng không thể liên lạc được với MS do MS ra ngoài

ngoài vùng phủ sóng trong thời gian dài, MS tắt máy hay SIM bị rút ra khỏi máy. Trong tất cả trường hợp này, MS không thể trả lời các bản tin tìm gọi (paging) và không thể cập nhật vị trí theo chu kỳ. Mạng xem như thuê bao đã rời mạng (IMSI detached)

MS mở máy trong chế độ idle Trong chế độ idle, MS đã “camp-on”, đồng bộ, và sẵn sàng thực hiện hay nhận

cuộc gọi. MS có thể nhận các bản tin tìm gọi và thực hiện cập nhật vị trí theo chu kỳ, lựa chọn lại cell khi MS di chuyển trong mạng.

MS mở máy trong chế độ dedicated MS tham gia vào các quá trình trao đổi thông tin như thoại hay dữ liệu.

6.4 IMSI attach / detach 6.4.1 Trình tự kết nối mạng


Trang 50

Khi MS mở máy trong vùng phủ sóng, nó sẽ quét tất cả các tần số được cấp phát trong dải. MS đo mức công suất của các tần số và sắp xếp chúng theo thứ tự.

MS chọn và lắng nghe trong số các tần số sóng mang mạnh nhất để lấy thông tin về FCCH. Quá trình này nhằm đồng bộ tần số với BTS phát.

Sau khi đồng bộ tần số, MS lắng nghe trên SCH để lấy thông tin tin về đồng bộ khung. Kênh SCH chứa thông tin về số khung và BSIC.

Sau khi đồng bộ khung, MS bắt đầu đọc và giải mã các thông tin khác trên BCCH: danh sách các cell kế cận (LAC+CI), mức công suất nhận thấp nhất, LAI, tần số BCCH của các cell xung quanh.

MS tiếp tục giám sát kênh PCH để nhận yêu cầu tìm gọi cho các cuộc gọi đến, gửi cập nhật vị trí định kỳ, ghi lại mức tín hiệu của các cell kế cận.

Nếu không tìm thấy FCCH hay SCH, MS sẽ chọn lại sóng mang RF cao nhất tiếp theo từ danh sách và lặp lại quá trình.

Hình 6.1: Trình tự MS kết nối mạng.

6.4.2 IMSI attach IMSI attach để thông báo cho mạng MS đã bật nguồn (power-on). IMSI attach

là một phần của quá trình cập nhật vị trí. Giả sử IMSI nhập mạng vào LA cũ. Quá trình IMSI attach diễn ra theo thứ tự:


Trang 51

Hình 6.2: IMSI attach

(1) MS camp-on vào cell phục vụ tốt nhất. MS gửi yêu cầu cấp phát SDCCH tới BSS trên RACH. BSS trả lời bằng bản tin “Immediate Assignment” trên AGCH bao gồm thông tin về kênh SDCCH.

(2) MS gửi bản tin “IMSI attach” trên kênh SDCCH tới MSC thông qua BSS

(3) MSC chuyển “IMSI attach” tới VLR. VLR xóa cờ “IMSI detach” và khôi phục trạng thái bình thường cho MS. Thông tin về IMSI rời mạng cũng được cập nhật trên HLR (tùy chọn) .

Nếu MS bật nguồn ở LA mới thì quá trình bảo mật được tiến hành như nhận thực, kiểm tra IMEI trên EIR.

(4) VLR cấp TMSI cho MS. VLR gửi bản tin phúc đáp “IMSI acknowledge” tới MSC.

(5) MSC chuyển bản tin tới MS thông qua BSS. MS đã được nhập mạng. (6) MSC gửi “clear command” cho MS trên kênh SDCCH để giải phóng

các tài nguyên dùng trong quá trình IMSI attach. 6.4.3 IMSI detach

MS dùng quá trình IMSI detach để khi thuê bao tắt máy. Thuê bao sẽ được đánh dấu “unreachable” trên VLR và hệ thống sẽ không tìm gọi thuê bao này nữa. Thông tin hệ thống quảng bá trong cell thông báo cho MS biết quá trình IMSI attach / detach có cần thực hiện hay không.

Các trường hợp IMSI detach

Tường minh: MS thông báo IMSI detach

Không tường minh: sau một khoảng thời gian xác định, MSC không liên lạc được với MS, MSC xem như MS đã rời mạng.

Quá trình IMSI detach tường minh:


Trang 52

Hình 6.3: IMSI detach

(1) Khi MS đang tắt máy, MS gửi bản tin “channel Request” trên kênh RACH tới BSS để yêu cầu cấp kênh SDCCH. BSS ấn định kênh SDCCH, thông báo tới MS trên kênh AGCH.

(2) MS gửi bản tin “IMSI Detach Indication” trên kênh SDCCH tới BSS và BSS chuyển bản tin này tới MSC để thông báo MS chuyển sang chế độ “detach”.

(3) MSC gửi bản tin “Detach IMSI” đến VLR. VLR bật cờ “IMSI detach” và từ chối tất cả các cuộc gọi tới MS.

VLR thông báo sự thay đổi tới HLR (tùy chọn).

VLR thông báo cho MSC bằng bản tin “Acknowledge IMSI Detachment”. MSC không thông báo cho MS vì khi này có thể MS đã rời mạng.

MSC gửi “clear Command” tới BSS để giải phóng kênh SDCCH. Quá trình kết thúc khi BSS giải phóng tài nguyên và gửi “Clear complete” tới MSC.

6.5 Cập nhật vị trí 6.5.1 Các tùy chọn cập nhật vị trí

Để bảo đảm cho việc định tuyến các cuộc gọi đến đúng MS, mạng cần phải biết vị trí của MS chính xác tới mức cell. Các phương pháp:

Cập nhật vị trí mỗi khi thay đổi cell Mỗi khi di chuyển sang vùng phục vụ của cell khác, MS gửi cập

nhật vị trí cho mạng. Thuận lợi của phương pháp này là khộng cần phải xác định vị trí cell của MS mỗi khi có cuộc gọi đến. tuy nhiên,


Trang 53

phương pháp này lại làm tăng tải báo hiệu trong mạng một cách đáng kể.

Tìm gọi tất cả các cell Mỗi khi có cuộc gọi đến, mạng sẽ tìm gọi trên tất cả các cell để xác

định cell phục vụ của MS. Phương pháp này không cần phải cập nhật vị trí để lưu lại vị trí hiện tại của MS nhưng lại làm tăng tải báo hiệu trong mạng.

Chia mạng thành các vùng tìm gọi nhỏ hơn Mỗi khi di chuyển tới một vùng tìm gọi mới, MS thông báo cho

mạng về số nhận dạng của vùng này. Khi có cuộc gọi đến MS, mạng chỉ gửi bản tin tìm gọi đến các cell trong vùng tìm gọi hiện tại. Phương pháp này kết hợp ưu điểm của hai phương pháp trên làm giảm đáng kể dung lượng báo hiệu trong mạng.

6.5.2 GSM location areas Trong mạng GSM, một vùng tìm gọi nhỏ được gọi là một location area, mỗi

vùng bao gồm nhiều cell. Tất cả các cell trong cùng một LA được điều khiển bởi một MSC. Mỗi LA có một số nhận dạng duy nhất LAI (Location Area Identifier)

6.5.3 Các điều kiện cập nhật vị trí Cập nhật vị trí xảy ra khi thỏa một trong các điều kiện sau:

Thay đổi LA

Cập nhật theo chu kỳ

MS bật máy (IMSI attach) Mỗi khi vào một LA mới, MS thực hiện cập nhật vị trí. Nếu MS không di

chuyển thì khộng xảy ra quá trình cập nhật LA. Do đó nếu sau một khoảng thời gian mà không có hoạt động nào xảy ra thì MS sẽ cập nhật vị trí theo chu kỳ được ấn định bởi nhà khai thác mạng. Sau một số chu kỳ, VLR không nhận được cập nhật vị trí từ MS, VLR sẽ xem như thuê bao rời mạng (forced IMSI detach)

Mỗi khi IMSI attach xảy ra, thong tin cập nhật vị trí được gửi về VLR. Nếu MS nhập mạng vào VLR cũ thì không cần phải cập nhật lại vị trí. Nếu MS nhập mạng vào VLR mới thì quá trình cập nhật vị trí phải thực hiện. Trong trường hợp này VLR phải gửi cho HLR mới các thông tin có liên quan tới LAI mới của MS.

6.6 Roaming


Trang 54

Roaming là khả năng MS di chuyển từ PLMN này sang PLMN khác mà không làm gián đoạn dịch vụ. Để thực hiện dịch vụ này, các mạng PLMN phải có thỏa thuận roaming với nhau.


Trang 55

PHẦN 7: QUẢN L Ý TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 7.1 Giới thiệu

Thủ tục quản lý tài nguyên vô tuyến (RR) bao gồm các chức năng liên quan đến quản l ý tài nguyên truyền dẫn như các kênh vật lý, các kết nối liên kết dữ liệu trên các kênh điều khiển. Nó chỉ tồn tại giữa MS và BSS.

Mục đích của các thủ tục quản lý RR là để thiết lập, duy trì và giải phóng các kết nối RR để cho phép giao tiếp điểm – điểm giửa mạng và MS. Thủ tục RR bao gồm các thủ tục chọn cell/chọn lại cell và thủ tục chuyển giao. Tuy nhiên, các thủ tục quản l ý RR cũng bao gồm thu 1 chiều thông tin từ BCCH và CCCH khi không có kết nối tài nguyên vô tuyến được thiết lập. Điều này cho phép chọn cell/chọn lại cell tự động 7.2 Thiết lập kết nối tài nguyên vô tuyến

Mobile – initiated RR connection setup.

Network - initiated RR connection setup.

Giải phóng kết nối RR Được bắt đầu chỉ bởi mạng Các lý do bao gồm:


Trang 56

Kết thúc một cuộc gọi Quá nhiều lổi Chuyển kênh vì cuộc gọi ưu tiên cao hơn

MS chờ cho 1 khỏang thời gian ngắn và trở lại trạng thái rổi

7.3 Selection cell và reselection cell

Khi bật máy, MS đo mức công suất thu định kỳ trên mỗi tần số sóng mang BCCH của tất cả các cell trong dải. Từ các lần đo định kỳ này MS tính toán giá trị mức thu trên mỗi cell, được lưu trong tham số RXLEV(n) (n: số cell neighbor).

Dựa vào các giá trị được tính này, MS selection cell để kết nối đến. Quá trình kết nối này để xem xét cell ‘camping-on’.

Khi 1 MS bắt vào 1 cell, nó liên tục đo sóng mang BCCH của các cell neighbor để tìm cell tốt hơn.

Giá trị OFFSET (trễ) ngăn chặn việc reselection cell không cần thiết ở khu vực biên cell

7.3.1 Thủ tục selection cell Khi MS bật nguồn, MS bắt đầu đo mức tín hiệu thu được từ tất cả các cell trong

dãy MS tính toán mức công suất thu trung bình từ mỗi cell và được lưu trong tham

số RXLEV(n) MS tính toán tham số C1 cho mỗi cell dựa vào RXLEV(n) và các tham số dành

riêng C1 (n)=RXLEV(n)-RXLEV_ACCESS_MIN-MAX(0,MS_TXPWR_MAX-P)

RXLEV(n): mức công suất BCCH thu trung bình từ cell n RXLEV_ACCESS_MIN: mức công suất thu nhỏ nhất mà MS thu được để truy

nhập vào hệ thống. MS_TXPWR_MAX: mức công suất phát lớn nhất của MS cho phép truy cập

vào mạng. P: mức công suất phát lớn nhất có thể đạt được của MS do nhà sản xuất qui

định.


Trang 57

MS so sánh mức thu ở các cell dựa vào giá trị C1 và bắt vào cell có giá trị C1 cao nhất.

7.3.2 Reselection cell MS trong GSM phase 1

Đối với GSM phase 1, chọn lại cell được thực hiện bằng cách so sánh C1 cell hiện hành với C1 được đo trên các cell neighbor. Giữa các cell trong cùng LAC

C1(new)> C1 (old) (trong khoảng hơn 5s) Giữa các cell ở biên LAC

C1(new)> C1 (old) + OFFSET (trong khoảng hơn 5s) MS trong GSM phase 2 GSM phase 2 sử dụng cả 2 tham số C1 và C2 trong thủ tục cell reselection. Mục đích:

Ngăn chọn lại cell nhiều lần cho các MS đang di chuyển nhanh Đảm bảo MS truy cập vào cell thành công nhất.

C2 được tính: C2=C1+OFFSET – (TEMPORARY_OFFSET x H(PENALTY_TIME –T) Để tối ưu chọn lại cell, tham số chọn lại cell có thể được broadcast trên BCCH

của mỗi cell. Quá trình chọn lại cell dựa vào các tham số này (phát trên BCCH) để tính toán tham số C2.

Các tham số được dùng để tính C2: C2=C1+CELL_RESELECT_OFFSET –(TEMPORARY_OFFSET x H(PENALTY_TIME –

T) Với PENALTY_TIME <> 11111

C2 = C1- CELL_RESELECT_OFFSET Với PENALTY_TIME = 11111

Và H(x)=0 khi x<0 {x= PENALTY_TIME –T} H(x)=1 khi x>0

CELL_RESELECT_OFFSET Tham số chọn này là một offset âm hoặc dương trên mỗi cell để khuyến khích

hoặc không khuyến khích MS chọn lại cell đó PENALTY_TIME

Khi MS đặt cell vào danh sách sóng mang mạnh nhất (neighbor list), nó bắt đầu bộ đếm mà kết thúc sau PENALTY_TIME. Bộ đếm này sẽ được reset khi cell ra khỏi danh sách. Suốt thời gian PENALTY_TIME của bộ định thời, C2 được cho giá trị offset âm, điều này có khuynh hướng ngăn MS đang di chuyển nhanh khỏi chọn cell.


Trang 58

TEMPORARY_OFFSET Đây là giá trị offset trong công thức tính C2. Có thể là giá trị 0 và cũng có thể là

giá trị dương được đưa vào. 7.4 Chuyển giao

Chuyển giao là quá trình thay đổi kênh vô tuyến đang sử dụng sang 1 kênh vô tuyến khác khi MS đang ở chế độ dedicate. Kênh vô tuyến này có thể trong cùng 1 cell hoặc giữa các cell khác nhau.

Các loại chuyển giao khác nhau trong hệ thống GSM: Internal handover

Giữa các kênh (các TS) trong cùng cell Giữa các cell trong cùng BSS (chuyển giao trong cùng BSC) External handover Các cell trong các BSS khác nhau (khác BSC) nhưng được điều khiển của cùng

MSC Các cell được điều khiển bởi các MSC khác nhau

Các chuyển giao trong GSM là chuyển giao ‘cứng’, MS chỉ giao tiếp với một cell tại 1 thời điểm.

Trong mạng GSM, các kết nối vô tuyến có thể không được cấp cố định suốt một cuộc gọi. Chuyển giao sẽ chuyển cuộc gọi đang diễn ra sang một kết nối vô tuyến khác.

Chuyển giao intra-BSS được xem như internal handover vì chỉ liên quan đến 1 BSC. Để tiết kiệm băng thông, chúng được quản lý bởi BSC không liên quan đến MSC, ngoại trừ để thông báo khi hoàn thành chuyển giao.

Chuyển giao Inter-BSS (cả hai intra hay inter MSC) được xem như external handover và được quản lý bởi các MSC liên quan. Điều quan trọng trong GSM đó là MSC gốc vẫn chịu trách nhiệm cho hầu hết các chức năng liên quan đến cuộc gọi, ngoại trừ các chuyển giao inter-BSC tiếp sau được điều khiển bởi MSC mới.

7.4.1 Các nguyên nhân chuyển giao: Chuyển giao có thể được bắt đầu bởi MS hoặc MSC (phương diện cân bằng tải

lưu lượng). Quyết định chuyển giao dựa vào các tham số sau (theo thứ tự ưu tiên):

Chất lượng tín hiệu UL/DL Cường độ tín hiệu thu UL/DL Nhiễu Độ dự trữ công suất (power budget) Khoảng cách giữa MS và BTS


Trang 59

Mỗi tham số có một định nghĩa về ngưỡng hoạt động và quyết định chuyển giao dựa vào 1 hay kết hợp của các tham số này.

7.4.2 Quá trình chuyển giao

Trong chế độ dedicated, MS liên tục giám sát chất lượng tín hiệu thu (BER) và

cường độ tín hiệu (dBm) của kênh lưu lượng được cấp phát trong cell serving. Đồng thời, cũng giám sát cường độ tín hiệu của tất cả các cell neighbor. Thông tin này được report đến BSC serving thông qua BTS.

Các quyết định chuyển giao được thực hiện bởi mạng dựa vào kết quả đo của MS và BTS


Trang 60

Phần 8: Quản lý cuộc gọi 8.1 Giới thiệu

Chương này bao gồm các quá trình thiết lập kết nối cho một cuộc gọi giữa các thuê bao và định tuyến các lưu lượng. Nội dung chương cũng nêu các khái niệm cần thiết cho việc triệt tiếng vọng (echo canceller).

MS có thể tham gia vào một trong hai loại cuộc gọi:

Cuộc gọi kết thúc tại đầu cuối di động (MTC) là cuộc gọi được nhận bởi MS, xuất phát từ MS (PLMN) khác hay từ mạng PSTN.

Cuộc gọi bắt đầu từ thuê bao di động (MOC) là cuộc gọi xuất phát từ một MS trong PLMN.

8.2 Mobile original call Giả sử MS đang lắng nghe thông tin hệ thống trong cell và MS đã đang ký vào

MSC/VLR của cell này. Khi MS yêu cầu truy nhập mạng để thực hiện cuộc gọi. Quá trình diễn ra như sau:

Hình 8.1: mobile original call

(1) a) MS dùng RACH để yêu cần ấn định kênh SDCCH. b) Thông tin về kênh ấn định được truyền cho MS trên AGCH

(2) MS thông báo là nó muốn setup một cuộc gọi. VLR phân tích IMSI và đánh dấu MS bận.

(3) Quá trình nhận thực có thể được thực hiện (tùy chọn).


Trang 61

(4) Khởi động quá trình mã hóa (tùy chọn). (5) MSC nhận bản tin setup từ MS. Thông tin bao gồm: loại dịch vụ mà MS

muốn sử dụng, số bị gọi. MSC kiểm tra xem MS có bị chặn chiều gọi ra hay không. Nhà khai thác mạng hay MS đều có khả năng chặn cuội gọi. Nếu MS không bị chặn, quá trình setup tiếp tục.

(6) Link giữa MSC và BSC được kết nối, một PCM timeslot bị chiếm giữ. MSC yêu cầu BSC cấp phát kênh TCH. Nếu còn kênh TCH rỗi, BSC BSC cấp kênh và yêu cầu BTS kích hoạt kênh. Sau khi kích hoạt thành công, BTS thông báo cho BSC. BSC ra lệnh cho MS chuyển sang kênh TCH. Quá trình cấp phát kênh hoàn tất, BSC thông báo cho MSC. MSC phân tích số và thiết lập kết nối tới thuê bao bi gọi.

(7) Bản tin “alert” thông báo cho MS biết ringing tone đã được tạo ở đầu bên kia. Tổng đài bên B tạo ra ringing tone và gửi đến MS chủ gọi thông qua MSC. Ringing tone được gửi qua đường vô tuyến tới MS chứ không được tạo ra ở MS.

8.3 Mobile terminal call Cuộc gọi kết thúc tại đầu cuối di động phứa tạp hơn cuộc gọi bắt đầu ở thuê bao di

động do phía chủ gọi không biết vị trí của phía bị gọi.

Hình 8.2: mobile terminal call.


Trang 62

(1) Trong trường hợp gọi từ PSTN sang di động, tổng đài cố định phân tích MSISDN và xác định cuộc gọi thuê bao di động.

(2) Tổng đài transit định tuyến cuộc gọi tới GMSC. (3) Sau khi phân tích số MSISDN của MS bị gọi, GMSC tìm được HLR mà thuê

bao đăng ký. GMSC truy vấn HLR để biết MSC/VLR mà MS bị gọi đang tạm trú. Từ MSISDN, HLR tìm ra IMSI, các thông tin của thuê bao, địa chỉ của VLR.

(4) HLR yêu cầu VLR cấp số roaming (MSRN). (5) HLR chuyển số MSRN tới GMSC. (6) 6.a Với số roaming, GMSC có thể định tuyến cuộc gọi đến đúng MSC.

6.b Cuộc gọi được chuyển tới MSC.

Nếu hệ thống hỗ trợ tính năng “call drop back”, GMSC chuyển cuộc gọi về node trước đó và giải phóng kết nối ở bước (2) và 6.a.

(7) MSC hỏi VLR thông tin về vị trí và trạng thái (reachable, unreachable) của thuê bao. Nếu trạng thái của thuê bao là “reachable”, cuộc gọi được cho phép ở MSC. MSC gửi yêu cầu tìm gọi tới tất cả BSS thuộc LA mới nhất được ghi nhận của MS.

Trong hệ thống GSM, thông tin về cell phục vụ của MS có thể lưu ở MSC hay BSC.

MSC gửi thông tin nhận dạng LA và MS tới BSC.

(8) BSC phân phát bản tin tìm gọi đến các BTS trong LA. (9) BTS tìm gọi thuê bao bằng TIMSI hoặc IMSI.

Khi nhận được bản tin tìm gọi, MS yêu cầu cấp phát kênh SDCCH. MSC thực hiện nhận thực và mã hóa. MSC cũng có thể gửi thông tin cho MS về dịch vụ được yêu cầu: thoại, data, fax.

BSC yêu cầu BTS kích hoạt kênh TCH và giải phóng kết nối SDCCH. MS gửi bản tin “alert” để thông báo nó đang đổ chuông. MSC tạo ringing tone cho thuê chủ gọi. Khi thuê bao nhấc máy, MS gửi bản tin “connect”. Mạng hoàn tất kết nối và gứi “connect ack” cho MS. Kênh lưu lượng song công được mở.

8.4 Call routing example 8.4.1 Định tuyến cuộc gọi trong nội PLMN


Trang 63

Hình 8.3: Định tuyến cuộc gọi trong nội PLMN

Khi MS1 gọi MS2 trong cùng PLMN, MS1 phải thực hiện quá trình MOC với MSC của nó (HMSC).

HMSC phải xác định vị trí của MS2 để định tuyến cuộc gọi chính xác. Do không thể định tuyến dựa vào số được quay (MSISDN của MS2), HMSC phải hỏi thông tin về MSRN của MS2.

MSRN được cấp phát bởi VLR mà MS2 đăng ký. Trong ví dụ này, VLR của MS2 là VVLR (Visited VLR). Tuy nhiên, HMSC không thể truy vấn trực tiếp VVLR vì HMSC không biết MS2 đăng ký vào VLR nào. Do đó, MSC dùng MSISDN của MS2 để hỏi HLR về thông tin định tuyến. HLR truy vấn VVLR để lấy MSRN và gửi lại cho HMSC. Sau khi có MSRN, HMSC định tuyến cuộc gọi tới VMSC.

VMSC thực hiện quá trình tìm gọi để khởi đầu MTC cho MS2.

8.4.2 Định tuyến cuộc gọi giữa các PLMN

Hình 8.4: Định tuyến cuộc gọi giữa các PLMN


Trang 64

Nếu MS1 gọi MS2 ngoài PLMN, số được quay MSISDN không bao gồm thông tin về vị trí của MS2. Trước tiên, cuộc gọi được định tuyến tới GMSC của HPLMN.

GMSC nhận biết NDC (national destination code) của PLMN đích (VPLMN) dựa vào số MSISDN nên chuyển cuộc gọi tới GMSC của VPLMN.

GMSC của VPLMN định tuyến dựa vào MSRN. Quá trình truy vấn MSRN cũng tương tự như trường hợp cùng PLMN, trong đó, GMSC đóng vai trò giống như HMSC.

8.5 Triệt tiếng vọng (Echo cancelling)

Hình 8.5: Echo canceller

Echo là hiện tượng nghe lại chính giọng nói của mình lặp lại khi nói vào điện thoại.

Hiện tượng trễ trong mạng PLMN do mã hóa và giải mã thoại, xử lý tín hiệu gây ra tiếng vọng. Tiếng vọng này không nghiêm trọng khi đàm thoại giữa các MS.

Tuy nhiên, khi kết nối với thuê bao PSTN, tín hiệu phải qua bộ chuyển đổi hybrid 4 dây sang 2 dây. Một phần năng lượng từ phía nhận quay lại phía phát nên thoại được truyền ngược lại phía MS. Hiện tương này thuê bao cố định không cảm nhận được nhưng tạo ra tiếng vọng có độ trễ khoảng 180ms cho MS.

Để giảm hiện tượng này, bộ triệt tiếng vọng được đặt ở giao tiếp giữa MSC và PSTN. Bộ triệt tiếng vọng chuẩn có thể làm giảm độ trễ xuống 80ms, và thuê bao di động không cảm nhận được.


Trang 65

Phần 9: GSM SECURITY 9.1 Mục đích của an toàn mạng

Chống lại những truy cập không cho phép (Nhận thực khi truy cập mạng) Bảo vệ số nhận dạng người dùng (dùng TMSI giúp bảo mật IMSI) Bảo vệ thông tin người dùng (dùng mật mã) Bảo vệ thông tin báo hiệu trong mạng

Các chức năng bảo vệ ở trên là bắt buộc đối với MS và mạng. Tuy nhiên chức năng mật mã có thể tắt. Những chức năng bảo vệ này được thiết kế để bảo vệ chỉ mạng GSM

9.2 Bảo vệ nhận dạng người dùng Chức năng bảo vệ nhận dạng người dùng nhằm đảm bảo số IMSI không bị lấy cắp. Chức năng này

nhằm chống lại việc theo dõi vị trí của thuê bao bằng cách lắng nghe các báo hiệu trao đổi trên đường vô tuyến. IMSI được bảo vệ bằng cách dùng số thay thế TMSI

9.3 Nhận thực Nhận thực là quá trình xem xét 1 MS có quyền truy nhập vào mạng hay không. Mục đích nhằm

chống lại những truy nhập không được cho phép đồng thời ngăn chặng những kẻ xâm nhập không hợp pháp

Ba thông tin yêu cầu trong tiến trình nhận thực: Khóa nhận thực Ki: được cất trong SIM và trong AuC RAND: là số ngẫu nhiên được tạo bởi AuC SRES: mã này được tạo ra trong AuC bằng cách kết hợp khóa Ki và RAND dùng thuật toán A3

MSC yêu cầu AuC tạo ra 3 số thông tin bảo mật là RAND,SRES và khóa Kc. Ba thông tin này sẽ được gửi tới VLR quản lý MS đó. Mỗi khi nhận thực được yêu cầu 1 bộ 3 thông tin trên được dùng

Chú ý:Khóa Kc được dùng cho mật mã hơn là nhận thực Nếu tất cả các bộ 3 trong VLR đã được dùng, MSC yêu cầu 1 lọat mới từ HLR/AuC bằng 1 bản tin

gửi thông tin nhận thực “Send Authentication Info”. HLR/AuC đáp ứng với bản tin “Send Authentication Info Ack”

Nhận thực thực hiện khi: Có sự thay đổi dữ liệu thuê bao tại HLR hay VLR như cập nhật vị trí mà có thay đổi dữ liệu

trong VLR,đăng ký mạng hay xóa bỏ 1 dịch vị cộng thêm Khi kích họat hay giải kích họat 1 dịch vụ cộng thêm Lần đầu tiên truy cập mạng sau khi khởi động lại MSC/VLR Chuỗi khóa mật mã không khớp nhau

Nếu 1 yêu cầu truy nhập gửi đến mạng,thủ tục nhận thực thuê bao thất bại và sự thất bại này không do sự cố mạng thì truy cập của MS tới mạng bị từ chối

9.3.1 THỦ TỤC NHẬN THỰC


Trang 66

Tiến trình nhận thực: Bước 1: Thuê bao yêu truy cập mạng bằng cách gửi IMSI/TMSI tới MSC

Bước 2: Nếu VLR không có bộ ba thông tin hợp lệ thì MSC yêu cầu bộ 3 mới từ AuC. Sau đó, MSC gửi RAND tới MS dùng bản tin “Authentication and Ciphering Request”

Bước 3: MS dùng Ki của nó và RAND vừa nhận từ MSC,MS tạo SRES và gửi cho MSC dùng bản tin “Authentication and Ciphering Response”

Bước 4: MSC so sánh SRES của nó với SRES nhận từ MS. Nếu chúng giống nhau, MS đó nhận thực thành công và được phép truy cập mạng

9.4 Bảo vệ thông tin người dùng Mục đích của chức năng bảo vệ thông tin người dùng là bảo mật thông tin của mỗi cá nhân Mật mã sẽ được ứng dụng cho tất cả các truyền thông có thoại hay không thoại. Mặc dù giải thuật

chuẩn A5 thường được triển khai, nhưng MS và cơ sở hạ tầng mạng có thể dùng nhiều hơn 1 giải thuật. Trong trường hợp này, cơ sở hạ tầng mạng chịu trách nhiệm quyết định nên dùng giải thuật nào (bao gồm khả năng không dùng mật mã trong trường hợp sự bảo mật không được ứng dụng)

Khi mật mã được yêu cầu, các tín hiệu MS tới mạng chỉ ra các giải thuật nào trong 7 giải thuật mật mã mà nó hổ trợ. Mạng phục vụ sau đó chọn 1 trong những giải thuật này và báo cho MS biết.

Chuỗi số khóa mật mã(Ciphering Key Sequence Number-CKSN) Để mà cho phép mật mã bắt đầu trên kết nối vô tuyến mà không nhận thực các chuỗi số khóa mật

mã được dùng. Chuỗi này cất trong VLR cùng với Kc. MSC/VLR gửi bản tin AUTHENTICATION REQUEST chứa chuỗi số này, cùng với RAND tới MS


Trang 67

Khi MS nhận bản tin nhận thực nó tính SRES và Kc, cất Kc cùng với CKSN trong SIM. Lần sau

khi MS muốn truy cập hệ thống, nó gửi CKSN trong bản tin SERVICE REQUEST tiến hành tiến trình mật mã mà không cần nhận thực

Thủ tục mật mã chung

Bước 1-Xác định thuật toán A5 Giả sử nhận thực đã xảy ra, khi 1 MS muốn thiết lập 1 kết nối được mật mã tới mạng, thụât toán

A5 được thương thuyết đầu tiên trên kênh DCCH theo những quyền ưu tiên sau:


Trang 68

1. Nếu 1 MS và mạng có thuật toán A5 không cùng các phiên bản và mạng hay MS không sẵn sàng dùng 1 kết nối không được mật mã thì kết nối được giải phóng

2. Nếu MS và mạng có ít nhất 1 phiên bản của thuật toán A5 chung thì mạng chọn 1 trong những phiên bản có thể cấp nhận ở cả 2 bên để dùng trên kết nối đó

3. Nếu MS và mạng có thuật toán A5 không cùng phiên bản và mạng sẵn sàng dùng 1 kết nối không cần mật mã thì 1 kết nối không mật mã được thiết lập

Bước 2-Tao khóa Kc Dùng khóa Ki,(duy nhất với mỗi MS) và RAND được tạo bởi AuC, Kc được tạo tại cả MS và

AuC. Khóa Kc ở AuC được truyền tới MSC/VLR với RAND và SRES Bước 3-Chuyển sang chế độ mật mã Dữ liệu được mật mã được tạo ra bằng cách truyền khóa Kc và toàn bộ dữ liệu người dùng vào

thuật toán A5 được cất trong cả MS và BSS(hình trên). Sự chuyển tiếp từ chế độ không mật mã sang chế độ mật mã tiến hành như sau:

Giải mật mã bắt đầu trong BSS,nơi đây sẽ gửi bản tin “Star Ciphier” tới MS Khi bản tin này được nhận đúng, bắt đầu mật mã và giải mã trên MS Mật mã trên phía BSS bắt đầu ngay khi đồng bộ đạt được và 1 MS đã chuyển sang chế độ mật

mã tạo ra khung hay 1 bản tin được giải mã đúng tại BSS Những yêu cầu chuyển giao

Khi chuyển giao xảy ra, thông tin cần thiết (ví dụ khóa Kc, dữ liệu khởi đầu) được chuyển từ BSS cũ sang BSS mới và thủ tục đồng bộ được bắt đầu lại. Khóa Kc không thay đổi khi chuyển giao

9.5 Bảo vệ thông tin báo hiệu Mật mã thông tin báo hiệu cung cấp sự bảo mật đối với các nhận dạng người dùng trên giao diện

vô tuyến Mật mã được dùng trên các trường của các bản tin báo hiệu được trao đổi giữa MS và các BTS.

Các yếu tố thông tin báo hiệu sau liên quan đến người dùng được bảo vệ bất cứ khi nào được dùng sau khi thiết lập kết nối ban đầu:

IMEI IMSI Số thuê bao gọi Số thuê bao bị goi

Chú ý rằng những thông tin báo hiệu(loại bản tin,các nhận dạng MS IMSI,TMSI…) không được bảo vệ khi khởi tạo kết nối

Không cung cấp mật mã từ đầu cuối đến đầu cuối

basic aircom

Documents