Tài liệu Đề tài "TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM" pdf

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1 Lịch sử mạng thông tin di động.
Để mở đầu cho việc tìm hiểu tổng quan về mạng thông tin di động, chúng ta cùng nhìn
lại lịch sử phát triển của nghành thông tin liên lạc bằng vô tuyến.
Năm 1873 sóng điện từ đã được Maxwell tìm ra nhưng mãi tới năm 1888 mới được
Hertz chứng minh bằng cơ sở thực tiễn. Sau đó ít lâu Marcony chứng tỏ được sóng vô
tuyến là một hiện tượng bức xạ điện từ. Từ đó ươc mơ lớn lao của con người về một điều
kỳ diệu trong thông tin liên lạc không dây có cơ sở để trở thành hiện thực.
Trải qua thời kỳ phát triển lâu dài, tới nay viêc thông tin liên lạc giữa các đối tượng với
nhau bằng sóng vô tuyến đã được ứng dụng rộng rãi. Với kỹ thuật liên lạc này, mọi đối
tượng thông tin đều có khả năng liên lạc được với nhau ở bất cứ điều kiện hoàn cảnh, địa
hình hay bất cứ điều kiện khách quan nào. Trên cơ sở những ưu điểm của kỹ thuật liên lạc
không dây mà kỹ thuật thông tin ra đời. Cùng với sự phát triển ngày càng cao của công
nghệ điện tử và thông tin, mạng thông tin di động ngày càng phổ biến, giá cả phải chăng,
độ tin cậy ngày càng cao.
Thế hệ thứ nhất: Xuất hiện sau năm 1946, Với kỹ thuật FM (điều chế tần số) ở băng
sóng 150 MHz, AT & T được cấp giấy phép cho điện thoại di động thực sự ở St.Louis.
Năm 1948 một hệ thống đện thoại hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond, Indiane.
Là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ truy cập phân chia theo tần số
(TDMA) Tuy nhiên, hệ thống này không đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng trước hết
về dung lượng. Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tương thích nhau làm cho sự
chuyển giao không đủ rộng như mong muốn (ra ngoài quốc tế). Những vấn đề này đặt ra
cho thế hệ thứ hai thông tin di động cellular phải giải quyết.
Thế hệ thứ hai: Cùng với sự phát triển của Microprocssor đã mở cửa cho một hệ thống
phức tạp hơn. Thay cho mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và anten cao là
những cell có diện tích bé và công suất phát nhỏ hơn, đáp ứng được nhu cầu ngày càng
tăng về dung lượng. Hệ thống sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian
(TDMA) và phân chia theo mã (CDMA) mà đặc trưng là mạng GSM, EGSM, DS -1800.
Thế hệ thứ ba: Bắt đầu những năm sau của thập kỷ 90 là kỹ thuật CDMA&TDMA cải
tiến, đáp ứng được việc tăng tốc tốc độ truền và các dịch vụ trong mạng.
5
1.2. Mạng thông tin di động GSM.
Từ đầu những năm 1980, sau khi các hệ thống NMT đã hoạt động một cách thành công
thì nó biểu hiện một số hạn chế :
- Vì dung lượng thiết kế có hạn mà số thuê bao không ngừng tăng. Do đó hệ thống này
không còn đáp ứng được nữa .
- Các hệ thống khác nhau đang hoạt động không thể phục vụ cho tất cả các thuê bao ở
Châu Âu, nghĩa là thiết bị mạng NMT không thể thâm nhập vào mạng TACS và ngược
lại.
- Nếu thiết kế một mạng lớn phục vụ cho toàn Châu Âu thì khó thực hiện được vì vốn
đầu tư quá lớn.
Vì vậy, để đáp ứng yêu cầu phạm vi sử dụng điện thoại di động được rộng rãi trên nhiều
nước, cần phải có hệ thống chung. Tháng 12-1982, nhóm đặc biệt cho GSM (thông tin di
động toàn cầu) được hội bưu chính và viễn thông Châu Âu CEPT (Confrence European
Postal And Telecommunication Administration) tổ chức, đồng nhất hệ thống thông tin di
động cho Châu Âu lấy dải tần 900MHz. Cho đến năm 1989, nhóm đặc biệt GSM này đã
trở thành một uỷ ban đặc biệt của viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (European
Telecommunication standart Instute) và các khuyến nghị GSM 900MHz ra đời.
GSM là tiêu chuẩn cho mạng thông tin di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land
Mobil Network), với dải tần làm việc (890-960)MHz. Đây là một tiêu chuẩn chung, điều
đó có nghĩa là các thuê bao di động có thể sử dụng máy điện thoại của mình trên toàn
châu âu.
Giai đoạn một của tiêu chuẩn GSM được ETSI hoàn thành vào năm 1990. Nó liên quan
tới các dịch vụ thông tin cơ bản (thoại, số liệu) và tốc độ thông tin “ Toàn tốc- Full rate”,
tín hiệu thoại tương tự đã được mã hoá với tốc độ 13 kb/s.
Giai đoạn hai được hàn thành vào năm 1994. Nó liên quan dến các dịch vụ viễn thông
bổ sung vào tốc độ thông tin “ bán tốc - Half rate” tín hiệu thoại tương tự được mã hoá với
tốc độ 6,5 kb/s.
 Các chỉ tiêu phục vụ :
- Hệ thống được thiết kế sao cho thuê bao di động có thể hoạt động ở tất cả các nước có
mạng GSM.
- Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch
vụ khác liên quan tới mạng đa dịch vụ ISDN.
- Tạo một hệ thống có thể hoạt động cho các thuê bao trên tàu viễn dương như một
mạng mở rộng của các dịch vụ di động mặt đất.
6
- Phải có chất lượng phục vụ ít nhất là tương đương với các hệ thống tương tự đang hoạt
động.
- Hệ thống có khả năng mật mã thông tin người sử dụng để tránh sự can thiệp trái phép.
- Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT.
- Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi được dùng ở các
mạng khác nhau.
- Dùng hệ thông báo hiệu được tiêu chuẩn hoá quốc tế. Nếu MS di chuyển sang vùng
định vị mới thì nó phải thông báo cho PLMN về vùng đinh vị mới mà nó đang ở đó.
Khi có cuộc gọi đến MS thì thông báo gọi sẽ được phát trong vùng định vị mà MS
đang ở đó.
1.3. Hệ thống tổ ong.
1.3.1. Cấu trúc mạng GSM.
Mạng tổ ong GSM được cấu trúc từ những đơn vị nhỏ nhất là ô (cell). Trên sơ đồ địa lý
qui hoạch mạng, cell có dạng tổ ong hình lục giác. Trong mỗi cell có một đài vô tuyến
gốc BTS (Base Transceiver Station). BTS liên lạc vô tuyến với tất cả các máy thuê bao di
đông MS (Mobile Station) có mặt trong cell. Dạng cell được minh họa như sau:
7
Hình 1.3.1. Khái niệm về biên giới của cellular
Sáu BTS bao quanh tạo thành các đường biên hình lục giác đều, biểu thị vùng phủ sóng
của một cell. Khi MS di chuyển ra khỏi vùng đó, nó phải được chuyển giao để làm việc với
BTS của một cell khác. Đặc điểm của cellular là việc sử dụng lại tần số và kích thước của
mỗi cell khá nhỏ.
Khoảng cách cell sử dụng
Lại tần số
Hình 1.3.1. Khái niệm về biên giới của cellular
Kích thước của cell tuỳ thuộc vào số thuê bao trong vùng và cấu trúc địa lý của từng
vùng. Do sự tăng trưởng lưu lượng không ngừng trong một cell nào đó dẫn đến chất lượng
giảm sút quá mức. Để khắc phục hiện tượng này người ta tiến hành việc chia tách cell xét
thành các cell nhỏ hơn. Với chúng người ta dùng công suất phát nhỏ hơn và mẫu sử dụng
lại tần số được dùng ở tỷ lệ xích nhỏ hơn.
8
Freq
Group
G
Freq
Group
B
Freq
Group
A1
Freq
Group
C
Freq
Group
C
Freq
Group
G
Freq
Group
B
Freq
Group
F
Freq
Group
C
Freq
Group
D1
Freq
Group
A2
Freq
Group
E
Freq
Group
D2
Freq
Group
F
Freq
Group
F
Freq
Group
E
Freq
Group
B
Freq
Group
C
Freq
Group
E
Freq
Group
C
Freq
Group
G
Hình 1.3. Tăng dung lượng hệ thống bằng cách chia cell.
Thông thường, các cuộc gọi có thể kết thúc trong một cell. Với hệ thống thộng tin di
động cellular phải có khả năng điều khiển và chuyển mạch để cuộc gọi từ cell này sang cell
khác mà không làm ảnh hưởng đến cuộc gọi. Điều này làm cho mạng di động có cấu trúc
khác biệt với các mạng cố định.
Mạng thông tin di động số cellular thực chất là mạng mặt đất công cộng PLMN (Public
Land Mobile Network). PLMN cung cấp cho các thuê bao khả năng truy cập vào mạng
thông tin di động toàn cầu từ MS đến MS. Do đặc tính di động cửa MS, mạng phải theo
dõi MS liên tục để xác định MS hiện đang ở trong cell nào. Điều này được thực hiện bởi
khái niệm vùng định vị LA (Location Area). Vùng định vị là một nhóm cell liên thông nhỏ
hơn toàn bộ lãnh thổ mà PLMN quản lý. Khi MS di chuyển từ cell này sang cell khác trong
cùng một vùng định vị thì MS không cần thông báo cho PLMN về vị trí hiện thời cửa
mình.
1.3.2. Cấu trúc địa lý mạng.
Mọi mạng điện thoại cần có một cấu trúc nhất định để định tuyến cuộc gọi đến tổng đài
cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi. Ở một mạng di động cấu trúc rất quan trọng do
tính lưu thông của các thuê bao trong mạng.
9

1.3.2. Hệ thống các vùng phủ sóng GSM
10
Vùng phục vụ GSM (Các nước th nh viênà )
Vùng phục vụ PLMN (Các vùng trong nước)
Vùng phục vụ MSC
Vùng định vị LA
CELL
CHƯƠNG II : TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM.
2.1. Cấu trúc mạng.




OMC : Hệ thống khai thác và bảo dưỡng HSS : Hệ thống chuyển mạch
AUC : Trung tâm nhận thực VLR : Bộ ghi định vị tạm trú
HLR :Bộ ghi định vị thường trú thiết bị EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị
MSC :Tổng đài di động BTS : Đài vô tuyến gốc
BSS : Hệ thống trạm gốc MS : Máy di động
BSC :Đài điều khiển trạm gốc ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ
PSPDN : Mạng chuyển mạch gói CSPDN : Mạng chuyển mạch Số công
theo mạng cộng
11
HLR
MS
SS
ISDN

PSPDN
CSPDN
PSTN
PLMN
MS
BSS
OMC
HỆ THỐNG CHUYỂN
MẠCH
HỆ THỐNG TRẠM GỐC
Kết nối cuộc gọi
v truyà ền dẫn tin
tức
Truyền dẫn tin tức
Hình 2.1- Mô hình hệ thống thông tin di động
cellular
VLR
AUC
HLR
EIR
BSC
BTS
PSTN : Mạng chuyển mạch điện PLMN : Mạng di động mặt đất công
thoại công cộng cộng
2.2. Các khối chức năng.
2.2.1.Trạm di động :
2.2.1.1. Chức năng và các loại MS :
Trạm di động là một thiết bị đầu cuối di động, là phương tiện giữa người và mạng. MS
có chức năng vô tuyến chung và chức năng sử lý để truy cập mạng qua giao diện vô tuyến.
Sự lựa chon thực hiện đối với các nhà sản xuất có thể khác nhau nhưng đều phải tạo ra
mạch tổ hợp theo một giao tiếp chuẩn để MS có thể truy cập đến tất cả các mạng. MS thực
hiện chức năng:
- Hiển thị số bị gọi.
- Chọn mạng PLMN.
- Hiển thị và xác nhận các thông tin nhắn.
 Máy di động MS gồm 2 thành phần:
- Thiết bị thu, phát, báo hiệu ME (mobile Equipment).
- Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register).
2.2.1.1.1. Thiết bị máy di động ME (mobile Equipment).
ME có bộ phận đầy đủ phần cứng cần thiết để phối hợp với giao diện vô tuyến chung,
cho phép MS có thể truy cập đến tất cả các mạng. ME có số nhận dạng là IMEI
(International mobile Equipment Identity) nhờ kiểm tra IMEI này mà ME bị mất cắp sẽ
không được phục vụ.
Thuê bao thường chỉ tiếp xúc với ME mà thôi, có 3 loại ME chính:
- Loại gắn trên xe (lắp đặt trong xe, anten ngoài xe).
- Loai xác tay (Anten không được gắn trực tiếp trên thiết bị)
- Loại cầm tay (Anten được gắn trực tiếp trên thiết bị).
Tuỳ theo công suất phát, ME có một số loại:
Loại Công suất phát Độ nhạy máy thu
1 20W(không dùng) -104 dBm
2 8W (39 dBm) -104 dBm
12
3 5W (37 dBm) -104 dBm
4 2W (33dBm) -102 dBm
5 0,8W (29 dBm ) -102 dBm
Hình 2.2. Bảng phân loại các loại ME.
2.2.1.1.2. Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subcriber Identity Module).
SIM là một cái khoá cho phép MS được dùng. Nhưng đó là cái khoá vạn năng. Dùng để
nhận dạng thuê bao và tin tức về dịch vụ mà thuê bao đăng ký. Số nhận dạng thuê bao di
động quốc tế IMSI là duy nhất và trong suốt quá trình người dùng GSM thiết lập đường
truyền và tính cước dựa vào IMSI.
SIM cũng có phần cứng, phần mềm cần thiết với bộ nhớ lưu trữ 2 loại tin tức: Tin tức có
thể đọc hoặc thay đổi bởi người dùng và tin tức không thể và không cần cho người sử dụng
biết. Các thông số trong SIM được bảo vệ, Ki không thể đọc, IMSI không thể sửa đổi. Một
số thông số khác trong SIM cần được cập nhật : LAI.
SIM được thiết kế để không thể làm giả. Người dùng có thể sử dụng mật khẩu riêng PIN
(personal Identity Namber) để phòng người khác dùng SIM phi pháp. Ngoài ra SIM còn
chứa thông tin tính cước và thực hiện thuật toán nhận thực.
SIM : Module nhận dạng thuê bao chứa một số thông tin như :
- Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI (International Mobile Subcriber Identity).
Để nhận dạng thuê bao được truyền khi khởi tạo. IMSI không thể sửa đổi.
- Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời TMSI (Temporary Mobile subcriber Identity).
Quản lý việc thay đổi TMSI để thuê bao không bị theo dõi ở giao diện vô tuyến.
- Số nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity).
- Khoá nhận thực thuê bao Ki. Để nhận thực SIM card. Ki không thể đọc được
- Số điện thoại của thuê bao di động MSISDN (Mobile Station ISDN)
MSISDN = Mã quốc gia + Mã vùng + Mã thuê bao.
Các thông số của SIM được bảo vệ
13
2.2.2. Hệ thống trạm gốc BSS (Base Station System).
BSS thực hiện giám sát các đường ghép nối vô tuyến, thực hiện đấu nối các MS với
tổng đài và nhờ vậy đấu nối những người dùng trạm di động với người dùng viễn thông
khác.
 BSS thực hiện :
- điều khiển sự thay đổi tần số vô tuyến của đường ghép nối với sự thay đổi công suất
- phát vô tuyến.
- Mã hoá kênh và mã hoá thoại, phối hợp tốc độ truyền tin.
- Quản lý chuyển giao (Handover).
- Bảo mật kênh vô tuyến.
 Hệ thống trạm gốc BSS bao gồm 3 phần chính :
- Trạm thu phát BTS.
- Phân hệ điều khiển trạm gốc BSC.
- Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU.
- Hệ thống chuyển mạch mạng NSS (Network Switching System)
Các phần này được liên kết với nhau và được nối với MSC qua đường truyền 2Mbp.
14
TRAU
BSC
BTS
NSS
Đường truyền 2,048Mbps
theo chuẩn G703
• Chuyển đổi thoại
13Kbps 64Kpbs
• Thích ứng tốc độ số liệu
• Sóng mang vô tuyến TX v à
RX
• Sắp xếp kênh vật lý
• Mã hoá kênh
• Bảo mật kênh
• Điều khiển BTS
• Khởi đầu các liên kết
kênh
• Điều khiển chuyển giao
trong v già ữa các BTS
• Nối với MSC,BTS v à
OSC

Xem chi tiết: Tài liệu Đề tài "TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM" pdf