Tài liệu Hệ thống gsm kiến trúc hệ thống, kiến trúc giao diện & kiến trúc giao thức

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG 1 Môn học: THÔNG TIN DI ĐỘNG BÀI TẬP NHÓM Đề tài: Hệ thống GSM: Kiến trúc hệ thống Kiến trúc giao diện & Kiến trúc giao thức Giảng viên: Nhóm sinh viên thực hiện: Hà Nội, 2016 MỤC LỤC MỤC LỤC L Ờ I NÓI ĐẦẦ U 1 3 CH ƯƠ NG 1. KIẾẾ N TRÚC H Ệ THỐẾ N G GSM 4 1.1. Giới thiệu..................................................................................................................................4 1.2. Các số nhận dạng trong GSM................................................................................................4 1.2.1. IMEI - International Mobile Equipment Identifier 4 1.2.2. IMSI - International Mobile Subcriber Identifier 4 1.2.3. TMSI - Temporary Mobile Subcriber Identifier 4 1.2.4. MSISDN – Mobile Subscriber ISDN Number 4 1.2.5. MSRN – Mobile Station Roaming Number 4 1.2.6. LAI – Location Area Identity 5 1.2.7. CI – Cell Identifier 5 1.2.8. BSIC – Base Station Identity Code 5 1.3. Cấu trúc tổng quan..................................................................................................................5 1.4. Mobile Station (MS)..................................................................................................................6 1.5. Base Station Subsystem (BSS)..................................................................................................6 1.6. Network Switching Subsystem (NSS).......................................................................................7 1.6.1. Tổng quan vềề NSS 7 1.6.2. Mobile Switching Centre (MSC) 8 1.6.3. Visitor Location Register (VLR) 8 1.6.4. Home Location Register (HLR)9 1.6.5. Authencation Centre (AuC) 9 1.6.6. Gateway Mobile Switching Centre (GMSC) 1.6.7. Equipment Identity Register (EIR) 9 10 CHƯƠNG 2. KIẾẾN TRÚC LỚP GIAO DIỆN HỆ THỐẾNG GSM 10 2.1. Giao diện A (MSC-BSS)..........................................................................................................10 2.2. Giao diện Abis (BSC-BTS).....................................................................................................11 2.3 Giao diện B (MSC-VLR)..........................................................................................................11 2.4. Giao diện D (HLR-VLR).........................................................................................................11 1 2.5. Giao diện E (MSC-MSC)........................................................................................................11 2.6. Giao diện F (MSC-EIR)...........................................................................................................11 2.7. Giao diện G (VLR-VLR).........................................................................................................11 2.8. Giao diện H (HLR-AuC).........................................................................................................12 2.9. Giao diện Um (MS-BTS)........................................................................................................12 CH ƯƠ NG 3. KIẾẾ N TRÚC L Ớ P GIAO TH Ứ C TRONG GSM KÉT LUẬN 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 2 13 LỜI NÓI ĐẦU Tại Việt Nam, mạng di động số thế hệ thứ 2 (2G) sử dụng công nghệ GSM đã phát triển rộng khắp các tỉnh thành trong cả nước từ năm 2011. Công nghệ GSM sử dụng dải tần 900Mhz, 9,6Kbps chỉ được áp dụng cho các dịch vụ thoại, dịch vụ bản tin nhắn, hạn chế nhiều dịch vụ phi thoại yêu cầu có tốc độ cao như hình ảnh, gửi hình ảnh, văn bản và truy cập Internet... Đồng thời với sự phát triển của mạng di động sử dụng công nghệ GSM, ngày nay, không chỉ có các nước tiên tiến trên thế giới mà ở nước ta cũng đã phát triển rất mạnh các mạng sử dụng công nghệ cao hon như: GPRS, 3G, w- CDMA(4G). Các mạng di động sử dụng công nghệ cao đó có tốc độ truy cập nhanh hon, cung cấp nhiều loại hình dịch vụ tiên tiến mà GSM không cung cấp được và cũng đáp ứng được nhu cầu sử dụng viễn thông hiện nay của khách hàng sử dụng mạng. Có thể nói, ngày nay hệ thống công nghệ thông tin cũng như hệ thống thông tin di động liên tục thay đổi và phát triển nhanh chóng. Hay nói cách khác là chúng thay đổi, nâng cấp theo tùng ngày, biến đổi từng giờ. Tuy vậy, các khai niệm cơ bản nền tảng về hệ thống thông tin di động thì không thay đối. Bởi tất cả các công nghệ tiên tiến bây giờ đều được cải tiến từ các nền tảng cơ bản đó. Do vậy, nhóm đã quyết định lựa chọn đề tài “Hệ thống GSM: Kiến trúc hệ thống, Kiến trúc giao diện & Kiến trúc giao thức” để nghiên cứu tìm hiểu. Bài tiểu luận sẽ gồm các nội dung chính sau: - Kiến trúc hệ thống GSM - Kiến trúc lớp giao diện của hệ thống GSM - Kiến trúc lớp giao thức của hệ thống GSM 3 CHƯƠNG 1. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG GSM 1.1. Giới thiệu Cung cấp cấu trúc tổng quan về mạng GSM, bao gồm các giải thích ngắn gọn về các hệ thống con (subsystem) và mô tả chức năng của các thành phần trong mỗi hệ thống con. Chương này bao gồm: • Các số nhận dạng trong GSM • Cấu trúc tổng quan • Mobile Station (MS) Subsystem và các thành phần • Base Station Subsystem (BSS) và các thành phần • Network Switching Subsystem (NSS) và các thành phần Các giao diện được xác định giữa các hệ thống con này bao gồm: • Giao diện A giữa NSS và BSS • Giao diện Abis giữa BSC và BTS (trong BSS) • Giao diện Um vô tuyến giữa BSS và MS 1.2. Các số nhận dạng trong GSM 1.2.1. IMEI - International Mobile Equipment Identifier IMEI là thông số duy nhất xác định phần cứng MS. Nó được đăng ký bởi nhà khai khác mạng và (tùy chọn) được lưu trong AuC cho các mục đích xác nhận hợp lệ. 1.2.2. IMSI - International Mobile Subcriber Identifier Khi một thuê bao đăng ký với nhà khai thác mạng, thông số IMSI duy nhất được tạo ra và lưu trữ trên SIM của MS. Một MS chỉ có thể hoạt động với SIM hợp lệ và IMEI hợp lệ. 1.2.3. TMSI - Temporary Mobile Subcriber Identifier TMSI được sử dụng để bảo vệ số nhận dạng thực (IMSI) của một thuê bao. Nó được tạo ra và lưu trữ trong VLR khi quá trình IMSI attach diễn ra hay cập nhât Location Area (LA) diễn ra. Tại MS, nó được lưu trong SIM của MS. TMSI này chỉ hợp lệ trong LA xác định. 1.2.4. MSISDN – Mobile Subscriber ISDN Number MSISDN là số thuê bao di động. Nó được gán cho thuê bao bởi nhà khai thác mạng khi đăng ký và được lưu trong SIM. Có thể một MS có nhiều MSISDN, mỗi MSISDN liên đới với mỗi dịch vụ khác nhau. 1.2.5. MSRN – Mobile Station Roaming Number 4 MSRN là số ISDN tạm, phụ thuộc vào vị trí được tạo ra bởi VLR cho tất cả các MS trong khu vực phục vụ của nó. Nó được lưu trữ trong VLR và HLR nhưng không lưu trong MS. MSRN được sử dụng bởi MSC/VLR cho mục đích định tuyến cuộc gọi. 1.2.6. LAI – Location Area Identity Mỗi LA trong PLMN có một số nhận dạng duy nhất (LAI). LAI được quảng bá đều đặn bởi các BTS trên kênh BCCH (Broadcast Control Channel), 1.2.7. CI – Cell Identifier CI là một số nhận dạng được gán cho mỗi cell trong mạng. Tuy nhiên, CI chỉ duy nhất trong LA xác định. Khi kết hợp với LAI trong LA tương ứng, GCI (Global Cell Identity) được tạo ra và mang tính duy nhất. 1.2.8. BSIC – Base Station Identity Code Mỗi BTS có một số nhận dạng duy nhất là BSIC và nó được sử dụng để phân biệt các BTS lân cận (neighbour). 1.3. Cấu trúc tổng quan 5 Hình 1. Cấu trúc tổng quan mạng GSM Chú thích: MS: Mobile Station SIM: Subscriber Identity Module MS: Mobile Station BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller MSC: Mobile Services Switching Center VLR: Visitor Location Register AuC: Authentication Center EIR: Equipment Identity Register HLR: Home Location Register OMC: Operation & Maintenance Center 6 DCN: Data Communication Network NSS: Network Switching Subsystem GMSC: Gateway Mobile Switching Center PSTN: Public Switched Telephone Network ISDN: Integrated Services Digital Network Một mạng GSM bao gồm ba hệ thống con: • Mobile Station (MS) • Base Station Subsystem (BSS) – bao gồm BSC và các BTS • Network Switching Subsystem (NSS) – bao gồm MSC và các thanh ghi tương ứng. 1.4. Mobile Station (MS) MS bao gồm một thiết bị vật lý được sử dụng bởi thuê bao PLMN để kết nối với mạng. Nó bao gồm Mobile Equipment (ME) và Subcriber Identity Module (SIM). • SIM lưu trữ IMSI, MSISDN, khóa xác thực Ki và giải thuật dùng cho kiểm tra xác thực. • ME có số xác nhận IMEI duy nhất, được sử dụng bởi EIR. 1.5. Base Station Subsystem (BSS) BSS bao gồm các thiết bị trạm gốc (transceivers, controllers…) được nhìn thấy bởi MSC thông qua giao diện A. Thiết bị vô tuyến của một BSS có thể hỗ trợ một hay nhiều cell. BSS có thể bao gồm một hay nhiều trạm gốc, tại đó giao tiếp Abis được thực thi. BSS bao gồm một BSC và một hay nhiều BTS. Chức năng của BTS: • Cung cấp truy cập vô tuyến cho các MS • Quản lý các mặt về truy cập vô tuyến của hệ thống BTS bao gồm: • Thu phát vô tuyến (TRX) • Các thiết bị xử lý và điều khiển tín hiệu • Các Antenna và cáp feeder Chức năng BSC: • Cấp phát 1 kênh cho suốt một cuộc gọi • Duy trì cuộc gọi: o Giám sát chất lượng 7 o Điều khiển công suất truyền từ BTS hay MS o Quyết định handover sang một cell khác khi cần thiết 1.6. Network Switching Subsystem (NSS) 1.6.1. Tổng quan về NSS Các thành phần chính của NSS bao gồm: MSC/VLR, HLR/AuC, EIR, GMSC. Các thành phần này liên kết với nhau sử dụng báo hiệu số 7 (SS7). Hình 2. Tổng quan về NSS 1.6.2. Mobile Switching Centre (MSC) Chức năng của MSC: • Chuyển mạch cuộc gọi, điều khiển cuộc gọi và ghi nhật ký cuộc gọi • Giao tiếp với PSTN, ISDN, PSPDN • Quản lý di động (Mobility Management) thông qua mạng vô tuyến và các mạng khác • Quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management) – handover giữa các BSC • Thông tin tính cước 8 Hình 3. MSC và BSS, MS 1.6.3. Visitor Location Register (VLR) VLR là một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin tạm của thuê bao trong một MSC area. Mỗi MSC trong mạng có một VLR liên đới nhưng một VLR có thể phục vụ nhiều MSC. Khi MS di chuyển vào LA mới, nó sẽ bắt đầu quá trình đăng ký. MSC có nhiệm vụ thông báo việc đăng ký này và chuyển số xác định LA cho VLR. Nếu MS chưa được đăng ký trước đó, VLR và HLR trao đổi thông tin để cho phép việc quản lý cuộc gọi thích hợp cho MS đó. VLR cũng bao gồm các thông tin cần thiết để quản lý việc thiết lập hay nhận cuộc gọi bởi các MS đã đăng ký trong cơ sở dữ liệu của nó. Các thành phần này bao gồm: • IMSI • MSISDN • MSRN • TMSI • LMSI • LA, tại đó MS tiến hành đăng ký 9 1.6.4. Home Location Register (HLR) HLR là một cơ sơ dữ liệu có trách nhiệm quản lý các thuê bao di động. PLMN có thể có một hay vài HLR phụ thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của thiết bị này và việc tổ chức trong mạng. Có 2 nhóm thông tin được lưu trữ tại đây: • Thông tin thuê bao • Thông tin vị trí cho phép việc tính cước và định tuyến tới MSC với MS được xác định tại đấy (ví dụ MSRN, địa chỉ của VLR, địa chỉ của MSC, LMSI) Hai kiểu số nhận dạng được attach cho mỗi thuê bao di động và được lưu trong HLR: • IMSI • Một hay nhiều số MSISDN IMSI hay MSISDN có thể được dùng như là khóa để truy cập thông tin trong cơ sở dữ liệu cho một thuê bao di động. 1.6.5. Authencation Centre (AuC) AuC được kết hợp với HLR, và lưu trữ khóa xác nhận cho mỗi thuê bao đã được đăng ký với HLR. Khóa này dùng để tạo ra: • Dữ liệu được sử dụng để xác thực IMSI • Một khóa được sử dụng để bảo mật thông tin qua kênh vô tuyến giữa MS và mạng. 1.6.6. Gateway Mobile Switching Centre (GMSC) GMSC định tuyến các cuộc gọi ra ngoài mạng và là một điểm truy cập cho các cuộc gọi vào mạng từ bên ngoài. 1.6.7. Equipment Identity Register (EIR) EIR là một cơ sở dữ liệu lưu trữ số nhận dạng IMEI cho ME. EIR điều khiển truy cập vào mạng bằng cách trả về trạng thái của MS trả lời cho IMEI query tương ứng. Các mức trạng thái: • White-listed: Thiết bị đầu cuối được cho phép kết nối với mạng • Grey-listed: Thiết bị đầu cuối đang được quan sát bởi mạng bởi các vấn đề có thể xảy ra • Black-listed: Thiết bị đầu cuối được báo mất hay không phải là loại được phê chuẩn cho mạng GSM, do đó thiết bị đầu cuối không thể kết nối với mạng. 10 CHƯƠNG 2. KIẾN TRÚC LỚP GIAO DIỆN HỆ THỐNG GSM Hình 4. Kiến trúc lớp giao thức của GSM 2.1. Giao diện A (MSC-BSS) Giao diện giữa BSS-MSC được dùng để mang các thông tin liên quan đến: • Quản lý BSS • Quản lý cuộc gọi • Quản lý di động 2.2. Giao diện Abis (BSC-BTS) Giao diện này được sử dụng giữa BSC và BTS để hỗ trợ các dịch vụ cho người dùng và thuê bao GSM. Giao diện này cũng cho phép việc điều khiển các thiết bị vô tuyến và tần số vô tuyến cấp phát cho BTS. 2.3 Giao diện B (MSC-VLR) Bất cứ khi nào MSC cần dữ liệu liên quan tới một MS đang trong khu vực của nó, nó sẽ hỏi VLR thông qua giao diện này. Thí dụ khi mà MS bắt đầu thủ tục cập nhật vị trí với một MSC, MSC thông báo cho VLR của nó các thông tin liên quan. 11 2.4. Giao diện D (HLR-VLR) Giao diện này được sử dụng để trao đổi dữ liệu liên quan đến vị trí của MS và việc quản lý thuê bao. Dịch vụ chính được cung cấp cho thuê bao di động là khả năng thiết lập hay nhận các cuộc gọi trong toàn bộ service area. Để hỗ trợ điều này, các thanh ghi vị trí phải trao đổi dữ liệu. Trao đổi dữ liệu xảy ra khi thuê bao di động đòi hỏi dịch vụ cụ thể, khi muốn thay đổi dữ liệu attach trong thông tin thuê bao. 2.5. Giao diện E (MSC-MSC) Khi MS di chuyển từ MSC area sang MSC area khác trong suốt cuộc gọi, thủ tục handover phải được tiến hành để có thể duy trì liên lạc. Bởi mục đích đó các MSC phải trao đổi dữ liệu để bắt đầu và thực hiện việc này Sau khi handover hoàn tất, các MSC sẽ trao đổi thông tin để truyền tải báo hiệu giao diện A nếu cần thiết. Khi mà một thông điệp ngắn được truyền giữa MS và SMC (Short Message Service Centre), cả 2 chiều, giao diện này được dùng để truyền thông điệp giữa MSC phục vụ MS và MSC có giao diện với SC. 2.6. Giao diện F (MSC-EIR) Giao diện này dùng cho trao đổi dữ liệu giữa MSC và EIR, mục đích để EIR có thể xác nhận trạng thái khi nhận được IMEI từ MS. 2.7. Giao diện G (VLR-VLR) Khi MS di chuyển từ VLR area này sang VLR area khác, thủ tục đăng ký vị trí sẽ xảy ra. Thủ tục này có thể bao gồm việc lấy IMSI và các thông số xác thực trong VLR cũ. 2.8. Giao diện H (HLR-AuC) Khi HLR nhận yêu cầu xác thực và mã hóa dữ liệu cho MS, HLR yêu cầu dữ liệu từ AuC. Giao thức được sử dụng để truyền dữ liệu thông qua giao diện này không được chuẩn hóa. 2.9. Giao diện Um (MS-BTS) Giao diện này là giao diện vô tuyến. Tóm tắt lớp giao diện: Giao diện Um A hoặc Asub Vị trí, chức năng Giao diện ở giữa MS và BTS. Mang các chùm GSM – mang dữ liệu và thông tin điều khiển. Nằm giữa BSC và MSC/VLR. 12 Quản lý BSS và Quản lý cuộc gọi. Nằm giữa BTS và BSC. Hỗ trợ các dịch vụ cho người dung Abis B C D E Cho phép điều khiển các thiết bị vô tuyến và tần số vô tuyến cấp phát cho BTS. Nằm giữa MSC và VLR. MSC hỏi VLR thông qua giao diện này dữ liệu về một MS đang trong khu vực của MSC đó. Nằm giữa HLR và GMSC hoặc ở giữa MSC và HLR. Chức năng tương tự giao diện B. Nằm giữa HLR và VLR. Dùng để trao đổi dữ liệu liên quan đến vị trí của MS và việc quản lý thuê bao. Nằm giữa MSC và MSC hoặc với G-MSC. Dùng để thực hiện chuyển giao thông tin giữa các MSC khi MS thay đổi vị trí từ vùng do MSC này quản lý sang vùng do MSC khác quản lý. Nằm giữa EIR và MSC hoặc giữa EIR và G-MSC. F Trao đổi dữ liệu giữa MSC và EIR, để EIR có thể xác nhận trạng thái cho G MS khi nhận được IMEI. Nằm giữa một VLR và VLR khác, thực hiện thủ tục đăng ký vị trí. Nằm giữa HLR và AuC. H Khi HLR nhận yêu cầu xác thực và mã hóa dữ liệu cho MS, HLR yêu cầu dữ liệu từ AuC thông qua giao diện này. Các giao diện chỉ thực hiện trao đổi thông tin báo hiệu: B, C, D, G, H, F. CHƯƠNG 3. KIẾN TRÚC LỚP GIAO THỨC TRONG GSM Kiến trúc trong báo hiệu của GSM được xây dựng trên cơ sở báo hiệu kênh chung số 7 (SS7) cho mạng lõi và báo hiệu thuê bao số DSSI cho truy nhập vô tuyến. Báo hiệu trong mạng lõi ngoài ISUP còn có thể sử dụng MAP để truyền báo hiệu đặc thù di động không liên quan đến kết nối. 13 Chú thích: CM: Connection Management; MM: Mobility Management RRM: Radio Resource Management; BSTM: BTS Management LAPDm: Link Access Procedures on Dm-Channel LAPD: Link Access Procedures on D-Channel BTSM: BTS Management BSSAP: Base Station System Application Part SCCP: Signalling Connection Control Part MTP: Message Transfer Part MAP: Mobile Application Part TCAP: Transaction Capabilities Application Part ISUP: ISDN User Part TUP: Telephone User Part Lớp giao thức GSM được chia làm 3 lớp: - 2 lớp con trên cùng CM và MM liên kết logic trực tiếp với MSC 14 + Quản lí di dộng (MM) có chức năng : Nhận thực Ấn định lại TMSI Nhận dạng trạm di động bằng cách yêu cầu IMSI hay IMEI ð ð ð + Quản lí kết nôi (CM) bao gồm: ð ð ð Điều khiển cuộc gọi (CC: Call Control) Các dịch vụ bổ sung (SS: Supplemetary Services Dịch vụ bản tin ngắn (SMS: Short Message Service) - Lớp con bên dưới RR ( quản lý tài nguyên vô tuyến ) : thiết lập, duy trì, giải phóng đầu nối các tài nguyên trên các điều khiển riêng, gồm các chức năng: + Thiết lập chế độ mật mã. + Thay đổi kênh dành riêng khi vẫn ở ô cũ như: từ SDCCH đến kênh lưu lượng. + Chuyển giao từ một ô này đến ô khác. + Định nghĩa lại tần số. 15 KÉT LUẬN Thông tin di động đã phát triển từ rất lâu, và trong đời sống hiện nay thì nó càng đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của con người chúng ta. Bài tiểu luận của nhóm đã trình bày những kiến thức cơ bản nhất về kiến trúc mạng thông tin di động GSM - là một phần quan trọng trong hệ thống thông tin di động hiện nay. Trong quá trình thực hiện tiểu luận các thành viên trong nhóm đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức về mạng GSM. Bài tiểu luận có thể còn những thiếu sót không tránh khỏi, rất mong cô và các bạn có thể đóng góp ý kiến để nhóm hoàn thiện bài tiểu luận thật tốt! Xin chân thành cảm ơn cô và các bạn! Hà Nội, tháng 4 năm 2016 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đồ án “TỒNG QUAN VÈ HỆ THÓNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM”, Đình Thị Hồng Phúc, Đại học Bách Khoa HN, 2011. 2. GSM Tutorials @ http://www.rfwireless-world.com/Tutorials/gsm-tutorial.html 3. Tài liệu về Tổng quan mạng GSM từ Internet 17