Tài liệu Đề tài: Công Nghệ Mạng Điện Thoại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn: Kĩ Thuật Truyền Dẫn Đề tài: Công Nghệ Mạng Điện Thoại Giáo viên hướng dẫn: Th.s Hoàng QuangTrung Nhóm thực hiện gồm: 1. Nguyễn Thị Ngọc Hân 2. Đào Thị Hiệu 3. Lê Thi Quỳnh Anh 4. Nguyễn Thị Huyền 5.Đoàn Thị Hằng Thái Nguyên, tháng 11 năm 2010 Lớp thảo luận 1 Page 1 Mục lục Lời mở đầu …………………………………………………….….……trang 3 Phần I: Mạng điện thoại có dây…………………………..……….…….trang 5 1.Lịch sử hình thành và phát triền..................................……..……..trang 5 2.Bộ điều khiển PSTN……………………………………...…….…trang 6 3.Quy chế của PSTN………………………………………………...trang 6 Phần II : Công nghệ mạng điện thoại di động…………………….…….trang 7 I- Tổng quan về GSM………………………………………..……..…..trang 7 1.Tổng quan…………………………………….………….….…….trang 7 1.1. Cấu trúc địa lý của mạng………………………….…..…..trang 9 1.2- Hệ thống chuyển mạch……………………………….….…trang 10 1.3. Hệ thống trạm gốc BSS……………………………….…..trang 14 1.4. Trạm di động MS…………………………………………. trang 15 1.5. Hệ thống vận hành khai thác và bảo dưỡng OSS………. trang 17 2. Sử dụng tần số trong GSM …………………………..……….. trang 19 II- Công nghệ CDMA…………………………………..…………….. trang 23 1.Tổng quan……………………………………………………… trang 23 2.Thủ tục thu/phát tín hiệu……………………………………… .. trang 24 3.Các đặc tính của CDMA…………………………………………trang 24 4-Bước tiến công nghệ CDMA về băng rộng………………………trang 29 5.Các công nghệ giao diện vô tuyến cho 3G……………………….trang 30 6-Cấu trúc WCDMA……………………………………………......trang 30 7.CDMA 2000………………………………………………………trang 33 III- Ứng dụng của GSM và CDMA vào thông tin di động………………trang 35 1.Thế hệ điện thoại thứ 1(1G)……………………………………trang 35 2. Thế hệ điện thoại thứ 2(2G)……………………………………trang 35 3.2,5G……………………………………………………………..trang 36 4. Thế hệ thứ 3(3G)……………………………………………….trang 37 5. 3,5G…………………………………………………………….trang 38 6. thế hệ thứ 4……………………………………………………...trang 39 Lớp thảo luận 1 Page 2 LỜI NÓI ĐẦU Một trong những phát minh vĩ đại nhất của con người trong thời gian khoảng thập niên 80 là việc con người đã phát minh ra điện thoại và điện thoại di động. Điện thoại đem lại lợi ích vô cùng lớn cho con người, trong mọi lĩnh vực thông tin liên lạc, nó giúp con người xích lại gần nhau không phân biệt khoảng cách xa gần, xóa bỏ khoảng cách không gian về địa lý mọi người đều có thể trực tiếp nói chuyện với nhau điều này góp phần to lớn trong việc trao đổi buôn bán giao lưu kinh tế nó tham gia một cách tích cực vào cuộc sống của con người .kể từ khi điện thoai ra đời nó đã trở thành thiết bị mang tính chuyên biệt rồi trở thành vật dụng thiết yếu đối với mỗi con người trong cuộc sống và sinh hoạt. Qua II thập kỷ gần đây với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ nói chung và công nghệ di động nói riêng đã có những bước tiến đáng kể nó đã đáp ứng được rất nhiều các dịnh vụ mà con người cần thiết Ví dụ: từ các dịch từ đơn thuần như nghe gọi, nhắn tin,cho đến các dịch vụ cao hơn như GPRS, VIDEO CALL, MOBI INTERNET ..v.v.. Với những dịch vụ ngày càng phong phú cộng với giá cước ngày càng trở nên bình dân hơn. ngày nay số lượng thuê bao di động ngày một tăng nhanh ,Vào khoảng những năm 2000 ở châu âu có trên 220 triệu thuê bao di động và trên toàn cầu có trên 580 triệu thuê bao, ở Anh cứ 2 người thì lại có 1 thuê bao di động , rong khi ở phần Lan con số người sử dụng di động đã vươt quá số lượng thuê bao cố định .Ở việt Nam tính đến ngày 31/1/2010 số lượng thuê bao di động đã gấp 6 lần thuê bao cố định, với 8 nhà cung cấp dịch vụ di động.Điều này cho thấy nghành di động đang phát triển với 1 tốc độ chóng mặt. Sự phát triển của điện thoại di động đã trải qua 3 thế hệ 1G, 2G, 3G và hiện nay là 4G với rất nhiếu các dịch vụ đa dạng như GPRS,lướt wet,xem tivi qua di động … với tốc độ truy suất dữ liệu cao.hiện nay các nhà khoa học đang trong quá trình nghiên cưu thế hệ di động thứ tư 4G cho tốc độ dữ liệu cực cao 2MB/s và có khả năng lên đến 155MB/s trong 1 số môi trường nhất định . Ở nước ta cùng với sự hòa nhập của công nghệ di động hiện nay công nghệ 3G cũng đang được sử dụng rộng rãi kể từ giữa năm 2009 với 3 nhà cung cấp dịch vụ 3G đó là viettell, mobiphone, vinaphone. Đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Lớp thảo luận 1 Page 3 Chính sự quan trọng của công nghệ di động đối với cuộc sống và sự đam mê đối với nghành công nghệ còn khá mới mẻ này đã giúp chúng em thực hiện bài báo cáo với chủ đề “ Công nghệ mạng điện thoại”. Nội dung nghiên cứu đề tài của chúng em gồm : Phần I: Mạng điện thoại có dây ( thuê bao cố định): PSTN (Public switched telephone network) Phần II: Công nghệ mạng điện thoại di động - Công nghệ GSM - Công nghệ CDMA Lớp thảo luận 1 Page 4 Phần I : Mạng điện thoại có dây ( thuê bao cố định) PSTN (Public switched telephone network) 1.Lịch sử hình thành và phát triển: Các điện thoại đầu tiên không có mạng nhưng đã được sử dụng tư nhân, nối với nhau theo từng cặp. Người dùng muốn nói chuyện với những người khác nhau đã làm nhiều điện thoại cần thiết cho mục đích này. Một người sử dụng muốn nói chuyện với những người khác họ huýt sáo vào máy phát cho đến khi bên kia nghe thấy. Chẳng bao lâu, chuông đã được bổ sung cho tín hiệu, điện thoại lợi dụng nguyên tắc trao đổi đã được sử dụng trong các mạng điện báo. Mỗi điện thoại được nối với một tổng đài điện thoại nội hạt, và trao đổi được chuyển cùng với nhánh chính. Mạng được kết nối với nhau một cách có thứ bậc cho đến khi họ kéo dài thành phố, quốc gia, châu lục và đại dương. Đây là sự khởi đầu của PSTN, mặc dù thời hạn đã được biết trong nhiều thập kỷ. Tự động hóa được giới thiệu xung quay số giữa điện thoại và trao đổi, sau đó là trao đổi, tiếp theo địa chỉ phức tạp hơn bao gồm cả tín hiệu tần số, mà đỉnh cao trong mạng SS7 là giao lưu kết nối nhiều nhất vào cuối thế kỷ 20. Sự tăng trưởng của các mạng PSTN có nghĩa là các kỹ thuật lưu thông cần thiết được triển khai để cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) đảm bảo cho người sử dụng. Công việc của A.K. Erlang thành lập các cơ sở toán học của phương pháp cần thiết để xác định các yêu cầu năng lực và cấu hình của thiết bị và số lượng nhân viên cần thiết để cung cấp một mức độ cụ thể của dịch vụ. Trong những năm 1970 ngành công nghiệp viễn thông đã bắt đầu thực hiện mạng chuyển mạch gói dịch vụ dữ liệu sử dụng giao thức X.25 được vận chuyển qua nhiều thiết bị đầu cuối, thiết bị như đã được sử dụng trong các mạng PSTN. Trong những năm 1980 ngành công nghiệp bắt đầu lập kế hoạch cho các dịch vụ kỹ thuật số giả định họ sẽ thực hiện theo nhiều mô hình tương tự như dịch Lớp thảo luận 1 Page 5 vụ thoại, và hình thành một tầm nhìn của thiết bị đầu cuối chuyển mạch dịch vụ, được gọi là băng thông rộng tích hợp các dịch vụ mạng kỹ thuật số (B-ISDN). Tầm nhìn B-ISDN đã bị vượt qua bởi những công nghệ đột phá của Internet. Hôm nay, chỉ có các bộ phận lâu đời nhất của mạng điện thoại vẫn sử dụng công nghệ analog cho bất cứ điều gì khác hơn là vòng dặm cuối cùng cho người dùng cuối, và trong những năm gần đây các dịch vụ kỹ thuật số ngày càng được nhân rộng ra cho người dùng cuối sử dụng các dịch vụ như DSL, ISDN, FTTx và hệ thống cáp modem. Có một số mạng điện thoại tư nhân lớn mà không liên kết với các mạng PSTN, thường là cho các mục đích quân sự. Ngoài ra còn có mạng lưới tư nhân do các công ty lớn được liên kết với PSTN chỉ thông qua các cổng hạn chế, giống như một trao đổi chi nhánh lớn của tư nhân (PBX). 2.Bộ điều khiển PSTN: Các nhiệm vụ xây dựng các mạng lưới và bán các dịch vụ cho khách hàng rơi vào tay các nhà khai thác mạng. Các công ty đầu tiên được kết hợp để cung cấp dịch vụ PSTN là Công ty Điện thoại Bell ở Hoa Kỳ. Ở một số nước tuy nhiên, việc cung cấp mạng điện thoại rơi vào chính phủ như là sự đầu tư cần thiết là rất lớn và việc cung cấp dịch vụ điện thoại ngày càng trở thành một công ích thiết yếu. Ví dụ, Tổng cục Bưu điện tại Vương quốc Anh đã mang cùng một số công ty tư nhân để hình thành một công ty quốc hữu hoá. Trong những thập kỷ gần đây, tuy nhiên, những công ty độc quyền nhà nước đã được chia, bán ra thông qua tư nhân hoá. 3.Quy chế của PSTN : Các kiến trúc mạng PSTN đã có tiến triển trong những năm qua để hỗ trợ số lượng ngày càng tăng của các thuê bao, các cuộc gọi, kết nối với các nước khác, quay số trực tiếp và như vậy. Khái niệm ban đầu là các trao đổi qua điện thoại được sắp xếp thành hệ thống phân cấp, do đó nếu một cuộc gọi có thể không được xử lý trong một cụm địa phương, nó được chuyển cho một cấp cao lên cho trở đi định tuyến. Điều này làm giảm số lượng các kết nối cần thiết giữa các nhà khai Lớp thảo luận 1 Page 6 thác thân cây trên một khoảng cách dài và cũng có thể giữ địa phương lưu thông riêng biệt. Như mô tả ở trên, trao đổi điện thoại tự động nhất hiện nay sử dụng kỹ thuật số chuyển đổi hơn là chuyển đổi cơ học hoặc tương tự. Các trung kế kết nối các tổng đài dùng kỹ thuật số,gọi là mạch hay kênh. Tuy nhiên hai dây mạch tương tự vẫn còn được sử dụng để kết nối những dặm cuối cùng từ trao đổi với các điện thoại trong nhà (cũng được gọi là vòng lặp địa phương). Để thực hiện một cuộc gọi điện thoại thông thường từ một bên mời cho một bên được gọi là, tín hiệu âm thanh analog được số hóa với tốc độ 8 mẫu kHz bằng cách sử dụng 8-bit điều chế xung mã (PCM). cuộc gọi này sau đó truyền từ đầu đến cuối khác thông qua trao đổi qua điện thoại. Các cuộc gọi được chuyển sang sử dụng một cuộc gọi thiết lập giao thức (thường ISUP) giữa các tổng đài điện thoại theo một chiến lược định tuyến tổng thể. Cuộc gọi được thực hiện qua mạng PSTN sử dụng kênh 64 kbit / s, ban đầu được thiết kế bởi Bell Labs. Các tên được đặt cho kênh này là tín hiệu số 0 (DS0). Các mạch DS0 là độ chi tiết cơ bản của chuyển mạch trong một tổng đài điện thoại. DS0 A còn được gọi là khe thời gian một vì DS0s được tổng hợp trong thời gian bộ phận thiết bị (TDM) ghép kênh để hình thành các liên kết cao năng lực giao tiếp cao hơn. Phần II : Công nghệ mạng điện thoại di động : I- Tổng quan về GSM 1. Tổng quan Lớp thảo luận 1 Page 7 Hình 1.1. CẤU TRÚC MẠNG GSM Trong đó: SS: Swithching system – hệ thống chuyển mạch AUC: Trung tâm nhận thực VLR: Bộ ghi định vị tạm trú HLR: Bộ ghi định vị thường trú EIR: Equipment Identifed Reader – Bộ ghi nhận dạng thiết bị MSC: Mobile Switching Central –trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động BTS: Base station system –hệ thống trạm gốc BSC: Base station Control – Đài điều khiển trạm gốc MS: Máy di động OSS: Operating and surveilance System –Hệ thống khai thác và giám sát. OMC: Operating and Maintaining Central –trung tâm khai thác và bảo dưỡng ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ PSTN: Mạng điện thoại mặt đất công cộng CSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng MS: Máy di động. Lớp thảo luận 1 Page 8 Hệ thống GSM được chia thành hệ thống chuyển mạch (SS hay NSS) và hệ thống trạm gốc (BSS). Hệ thống được thực hiện như một mạng gồm nhiều ô vô tuyến cạnh nhau để cùng đảm bảo toàn bộ vùng phủ sóng của vùng phục vụ. Mỗi ô có một trạm vô tuyến gốc BTS làm việc ở một tập hợp các kênh vô tuyến. Các kênh này khác với các kênh được sử dụng ở các ô lân cận để tránh giao thoa nhiễu. Một bộ điều khiển trạm gốc BSC điều khiển nhóm BTS. BSC điều khiển các chức năng như một trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC điều khiển một số trạm BTS. MSC điều khiển các cuộc gọi đến và từ mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN, mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN, mạng di động mặt đất công cộng PDN, và có thể là các mạng riêng. Ở mạng cũng có một số các cơ sở dữ liệu để theo dõi như: - Bộ đăng ký định vị thường trú HLR chứa thông tin về thuê bao như các dịch vụ bổ xung các thông số nhận thực và thông tin về vị trí của MS. - Trung tâm nhận thực AUC được nối đến HLR. Chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các thông số nhận thực và các khóa mật mã để sử dụng cho các khóa bảo mật. - Bộ ghi định vị tạm trú VLR : là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang phục vụ của vùng MSC, Mỗi MSC có một VLR. - Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR được nối với MSC qua một đường báo hiệu nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị,chuyển giao, điều khiển công suất. 1.1. Cấu trúc địa lý của mạng Mọi mạng điện thoại đều có một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi. Trong mạng di động cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng. Về mặt địa lý một mạng di động bao gồm : - Vùng mạng. GSM/PLMN - Vùng phục vụ. MSC/VLR - Vùng định vị. LA: Location Area - Ô (Cell):Vùng định vị được chia thành một số ô. Ô là một vùng bao phủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI –Cell Global Identity). Lớp thảo luận 1 Page 9 Hình 1.2. Ví dụ về phân cấp cấu trúc địa lý của mạng di động cellular (GSM) Hình 1.3 Vùng mạng GSM/PLMN 1.2- Hệ thống chuyển mạch (ss- swictching subsytem) Hệ thống chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng của mạng GSM với nhau và với mạng khác. 1.2.1. Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC –Mobile service switching centre) Ở SS chức năng chính chuyển mạch chính được MSC thực hiện, nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng Lớp thảo luận 1 Page 10 GSM. Một mặt BSC giao tiếp với hệ thống con BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng. Việc giao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho những người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng. SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tai số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM. Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCS7), mạng này bảo đảm hoạt động tương tác giữa các phần tử của SS trong nhiều hay một mạng GSM. MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC. Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị và ngoại ô có dân cư vào khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình). Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các mạng này. Các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác. IWF bao gồm một số thiết bị để thích ứng giao tiếp truyền dẫn. Nó cho phép kết kết nối với các mạng: PSTPDN (Packet swictched public dât network: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói) hay CSPDN (Circuit siched public daat network: Mạng số liệu chuyển mạch công cộng chuyển mạch theo mạch), nó cũng tồn tại khi các mạng khác chỉ đơn thuần là PSTN hay ISDN. IWF có thể được thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở. 1.2.2. Bộ ghi định vị thường trú ( HLR –Home Location Register) Ngoài MSC, SS bao gồm các cơ sở dữ liệu. Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu giữ ở HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao. HLR cũng chứ các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao. Thường HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trăm thuê bao. Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC mà nhiêm vụ của trung tâm này là quản lý an toàn số liệu của các thuê bao được phép. 1.2.3. Bộ ghi định vị tạm trú (VRL-Lisitor –location register) VRL là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiện vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính sác hơn HLR. Mỗi MSC có một HLR. Ngay khi MS lưu động vào một vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầ số liệu về MS này từ HLR. Đồng thời HLR sẽ thông báo là MS đang ở vùng phục vụ nào. Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VRL sẽ có tất cả Lớp thảo luận 1 Page 11 thông tin cần thiết để thiết lập cuộc gọi mà không cần hỏi HLR. Có thể coi VLR như một HLR phân bố. - Dữ liệu bổ xung được lưu giữ ở HLR gồm: + Tình trạng của thuê bao (bận, rỗi, không trả lời…) + Nhận dạng vùng định vị (LAI). + Nhận dạng của thuê bao di động tam thời (TMSI). + Số lưu động của trạm di động (MSRN). Các chứ năng VLR thường được liên kết với chức năng MSC. 1.2.4. Tổng đài di động cổng (GMSC – Gate MSC) SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR. Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến tổng đài cổng được gọi là GSMC mà không cần biết hiện thời thuê bao đang ở đâu. Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú). Để vậy, trước hết các tổng đài cổng phải dựa trên số danh bạ của thêu bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này. Tổng đài cổng có một giao diện với một mạng bên ngoài thông qua giao diện này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối các các mạng bên ngoài với mạng GSM. Ngoài ra tổng đài này cũng có giao diện báo hiệu đường dây số 7 (CCS7) để có thể tương tác với các phần tử khác của SS. Về phương diện kinh tế không phải bao giờ tổng đài cũng đứng riêng mà thường được kết hợp với MSC. 1.2.5. Trung tâm nhận thực (AUC-Authentication Center) Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các thông số nhận thực và các khóa mật mã. Trung tâm nhận thực liên tục cung cấp các bộ ba cho từng thuê bao. Các bộ ba này được coi như là số liệu liên quan đến thuê bao. Một bộ ba (RAND, SRES, khóa mật mã (Ks) được sử dụng để nhận thực một cuộc gọi để tránh trường hợp Card thuê bao (card thông minh) bị mất. Ít nhất phải luôn có bộ ba mới (cho một thuê bao) ở HLR để luôn có thể cung cấp bộ ba này theo yêu cầ của MSC/VLR. AUC chủ yếu chứa một số các máy tính cá nhân gọi là PCAUC để tạo ra các bộ ba và cung cấp chúng đến HLR. PC- AUC được coi như thiết bị vào/ra (I/O). Trong AUC các bước sau đây để tạo ra bộ ba: - Một số ngẫu nhiên không thể đoán trước được (RAND) được tạo ra. - RAND và Ki được sử dụng để tính toán trả lời được mật hiệu (SRES) và khóa mật mã (Kc) bằng hai thuật toán: SRES = A3(RAND, Ki) Lớp thảo luận 1 Page 12 Kc = A8 (RAND, Ki) - RAND, SRES và Kc cũng được đưa đến HLR như một bộ ba. - Qúa trình nhận thực sẽ luôn diễn ra mỗi lần thuê bao truy cập vào mạng của hệ thống. Qúa trình nhận thực diễn ra như sau: VLR có tất cả thông tin yêu cầu để thực hiện quá trình nhận thực (Kc, SRES, RAND). Nếu các thông tin này không sẵn có ở VLR thì VLR sẽ yêu cầu chúng từ HLR/AUC. 1. Bộ ba (Kc, SRES, RAND) được lưu giữ nó trong VLR. 2. VLR gửi RAND qua MSC và BSS tới MS ( không được mã hóa). 3 . MS sử dụng các thuật toán A3 và A8 và tham số Ki được lưu giữ trong SIM card của MS, cùng với RAND nhận được từ VLR, sẽ tính toán các giá trị của SRES và Kc. 4. MS gửi SRES không mã hóa tới VLR. 5. Trong VLR giá trị của SERS được so sánh với SRES mà nhận được từ máy di động. Nếu hai giá trị này là phù hợp thì nhận thực là thành công. 6. Máy di động tính toán Kc từ RAND và Ki (Ki ở trong SIM) bằng thuật toán A8. 7. Dùng Kc, thuật toán A5 và số siêu siêu khung sự mã hóa giữa MS và BSS bây giờ có thể xảy ra qua giao diện vô tuyến. 1.2.6. Chức năng tương tác (IWF –Interworking function) IWM cung cấp chức năng để đảm bảo hệ thống GSM có thể giao tiếp với nhiều dạng khác nhau của mạng số liệu tư nhân và công cộng đang được sử dụng. Các đặc điển cơ bản của IEM gồm: - Sự thích hợp tốc độ dữ liệu. - Sự chuyển đổi giao thức. Một số hệ thống yêu cầu nhiều khả năng của IWM hơn các hệ thống khác, điều này phụ thuộc vào mạng mà IWM được nối tới. CCS7 phụ thuộc quy định của từng nước, một hãng khai thác GSM có thể có mạng báo hiệu CCS7 riêng hay chung. Nếu hãng khai thác có mạng báo hiệu này thì riêng các điểm chuyển giao báo hiệu (STP) có thể là một bộ phận của SS và có thể được thực hiện ở các điểm nút riêng hay trong cùng một MSC tùy thuộc vào hoàn cảnh kinh tế. Tương tự, một nhà khai thác GSM cũng có thể có quyền thực hiện một mạng riêng để định tuyến các cuộc gọi giữa GMSC và MSC hay thậm chí định tuyến cuộc gọi ra đến điểm gần nhất trước khi sử dụng mạng cố định. Lúc này Lớp thảo luận 1 Page 13 các tổng đài quá giang có thể sẽ là một bộ phận của mạng GSM và có thể được thực hiện như một nút đứng riêng hay kết hợp với MSC. 1.3. Hệ thống trạm gốc BSS. Có thể nói BSS là một hệ thống các thiết bị đặc thù riêng cho các tính chất tổ ong vô tuyến của GSM. BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động (MS) thông qua giao diện vô tuyến. Vì thế nó bao gồm các thiết bị phát và thu đường truyền vô tuyến và quản lý các chức năng này. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài SS. Tóm lại BSS thực hiện đấu các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác. BSS cũng phải được điều khiển và ít vậy nó được đấu nối với OSS. BSS bao gồm hai loại thiết bị: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC. 1.3.1. Trạm thu phát gốc (BTS –Base transceiver station) Một BTS bao gồm các thiết bị thu phát, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diên vô tuyến. Có thể coi BTS là các Modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác. Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU. TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hóa và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ truyền, trường hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể đặt cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp được đặt giữa BSC và MSC. Các chức năng chính của BTS là : - Biến đổi truyền dẫn (dây dẫn –vô tuyến). - Các phép đo vô tuyến. - Phân tập anten. - Mật mã. - Nhảy tần. - Truyền dẫn không liên tục. - Đồng bộ thời gian. - Giám sát và kiểm tra. Mỗi BTS có thể có tối đa 4 bộ thu phát (TRX –Transceiver). Bộ thu phát cho phép đấu nối 16 TRX trên cùng một anten. Có thể đấu nối 32 TRX đến cùng một trạm anten thu. Lớp thảo luận 1 Page 14 1.3.2. BSC BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (Handover). Một phía BSC được nối với BTS còn phía kia được nối với MSC của SS. Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể. Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao. Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này. Giao diện giữa BSC với MSC được gọi là giao diện A, còn giao diện giữa nó với BTS được gọi là giao diện Abis. BSC có các chức năng chính sau: - Giám sát các trạm vô tuyến gốc. - Quản lý mạng vô tuyến. - Điều khiển nối thông đến các máy di động. - Định vị và chuyển giao. - Quản lý tìm gọi. - Khai thác bảo dưỡng của BSS. - Quản lý mạng truyền dẫn. - Chức năng chuyển đổi máy (gồm cả ghép 4 kênh lưu thông GSM toàn bộ tốc độ vào một kênh 64kbit/s). - Mã hóa tiếng (giảm tốc độ bít xuống 13kbit/s) sẽ được thực hiện ở BSC. Vì vậy một đường PCM có thể truyền được 4 cuộc nối tiếng. 1.4. Trạm di động MS Trạm di động là thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống. MS có thể là thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị xách tay hay cầm tay. Loại thiết bị nhỏ cầm tay sẽ là thiết bị trạm di động phổ biến nhất. Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và sử lý giao diện vô tuyến, MS còn phải cung cấp giao diện với người sử dụng (như mic, loa, màn hình, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số thiết bị khác như giao diện với máy tính cá nhân, fax… Hiện nay người ta đang cố gắng sản suất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động. Việc lựa chọn các thiết bị đầu cuối hiện để mở cho các nhà sản suất. Ta có thể liệt kê ba chức năng chính: - Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên kết qua mạng GSM. - Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. Lớp thảo luận 1 Page 15 - Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di động. Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm di động tuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối – modem. Cấu trúc của một máy di động: Máy di động gồm thiết bị di động ME (Mobile equipment) và modun nhận dạng thuê bao SIM. Modun nhận dạng thuê bao: SIM là một modun tháo rút được để cắm vào mỗi khi thuê bao muốn sử dụng MS và rút ra khi MS không có người hoặc lắp đặt ở MS khi ban đầu đăng ký thuê bao. Có hai phương án được đưa ra: - SIM dạng card IC. - SIM dạng cắm. 1.4.1- SIM dạng card IC: Là một modun để có một giao tiếp với bên ngoài theo các tiêu chuẩn ISO về các card IC. SIM có thể là một bộ phận của card đa dịch vụ trong đó viễn thông di động GSM là một trong số các ứng dụng. 1.4.2- SIM dạng cắm: Là một modun riêng hoàn toàn được tiêu chuẩn hóa trong hệ thống GSM. Nó được dự định lắp đặt bán cố định ở ME. Các khai thác mạng GSM là các khai thác khi thiết lập, hoạt động xóa một cuộc gọi. Khi sử dụng ở ME, SIM đảm bảo các chức năng sau nếu nó nằm trong khai thác của mạng GSM: - Lưu giữ thông tin bảo mật liên quan đến thuê bao (như IMSI) và thực hiện các cơ chế nhận thực và tạo khóa mật mã. - Khai thác PIN người sử dụng (nếu cần mã PIN) và quản lý. - Quản lý thông tin liên quan đến thuê bao di động chỉ được thực hiện khai thác mạng GSM khi SIM có một IMSI đúng. - SIM phải có khả năng sử lý một số nhận dạng cá nhân (PIN), kể cả khi không bao giời sử dụng nó. PIN bao gồm 4 đến 8 chữ số. Một PIN ban đầu được nạp bởi bộ hoạt động dịch vụ ở thời điểm đăng ký. Sau đó người sử dụng có thể thay đổi PIN cũng như độ dài PIN tùy ý. Người sử dụng cũng có thể sử dụng chức năng PIN hay không bằng một chức năng SIM-ME được gọi là chức năng cấm PIN. Việc cấm này giữ nguyên cho đến khi người sử dụng cho phép lại kiểm tra PIN. Nhân viên được phép của hãng khai thác có thể chặn chức năng cấm PIN khi đăng ký thuê bao, nghĩa là thuê bao khi bị chặn chức năng cấm PIN không còn lựa chọn nào khác là sử dụng PIN. Chặn SIM nghĩa là đặt nó vào trạng thái cấm khai thác mạng GSM, có thể dùng khóa giải tỏa chặn cá nhân để giải tỏa chặn. Lớp thảo luận 1 Page 16 Ngoài ra SIM phải có bộ nhớ không mất thông tin cho một số khối thông tin như: - Số seri: Là số đơn vị xác định SIM và chứa thông tin về nhà sản suất, thế hệ điều hành, số SIM,… - Trạng thái SIM (chặn hay không). - Khóa nhận thực. - Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI). - Khóa mật mã. - Số trình tự khóa mật mã. - Nhận dạng số thuê bao di động tạm thời (TMSI). - Loại điều khiển thâm nhập thuê bao. - Số nhận dạng cá nhân (PIN). 1.5. Hệ thống vận hành khai thác và bảo dưỡng OSS OSS thực hiện ba chức năng chính sau: - Khai thác và bảo dưỡng mạng. - Quản lý thuê bao và tính cước. - Quản lý thiết bị di động. Dưới đây ta xét tổng quát các chức năng nói trên: 1.5.1- Khai thác và bảo dưỡng mạng Khai thác là hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như: tải của hệ thống, mức độ chậm, số lượng chuyển giao (handover) giữa hai ô…, nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ vật chất của dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời sử lý sự cố. Khai thác cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vấn đề suất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tương lai, để tăng vùng phủ. Việc thay đổi mạng có thể được thực hiện “mềm” qua báo hiệu, hoặc thực hiện cứng đòi hỏi sự can thiệp tại hiện trường. Ở hệ thống viễn thông hiện đại khai thác được thực hiện bằng máy vi tính và được tập trung ở một trạm. Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị, sữa chữa các sự cố và hỏng hóc. Nó có một số quan hệ với khai thác. Các thiết bị hiện đại của mạng viễn thông có khả năng tự phát hiện một số sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra. Trong nhiều trường hợp người ta dự phòng cho thiết bi để khi có sự cố có thể thay thế bằng thiết bị dự phòng. Sự thay thế này có thể được thực hiện bằng điều khiển từ xa. Bảo dưỡng cũng bao gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay đổi thiết bị có sự cố. Lớp thảo luận 1 Page 17 Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được thực hiện trên nguyên lý TMN (Telecommunication Management Network: mạng quản lý viễn thông). Lúc này một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến phần tử của mạng viễn thông (các MSC, BSC, HLR và các phần tử mạng khác trừ BTS, vì thâm nhập đến BTS được thực hiện qua BSC). Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng lại được nối đến máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người máy. Theo tiêu chuẩn GSM hệ thống được gọi là OMC (Operation and mainternance center: trung tâm khai thác và bảo dưỡng). 1.5.2- Quản lý thuê bao Bao gồm các hoạt động đăng ký quản lý thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xóa thuê bao khỏi mạng. Đăng ký thuê bao cũng rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và tính năng bổ sung. Nhà khai thác phải có thể thâm nhập vào tất cả các thông số nói trên. Một nhiệm vụ quan trọng khác của nhà khai thác là tính cước các cuộc gọi. Cước phí phải được tính và gửi đến thuê bao. Quản lý thuê bao ở mạng GSM chỉ liên quan đến HLR và một số thiết bị OSS riêng chẳng hạn mạng nối HLR với các thiết bị giao tiếp người máy ở các trung tâm giao dịch với thuê bao. SIM card cũng đóng vai trò như một bộ phận của hệ thống quản lý thuê bao. 1.5.3- Quản lý thiết bị di động Quản lý thiết bị di động được đăng ký nhận dạng thiết bị EIR (Equiment Identity Register) thực hiện. EIR lưu giữa tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR Chứa số liệu phần cứng của của thiết bị đó là nhận dạng thiết bị di động quốc tế ( IMEI). IMEI là duy nhất đối với một thiết bị di động (ME) nhưng nó không phải là duy nhất đối với thuê bao mà đang sử dụng nó thiết lập hay nhận một cuộc gọi. EIR được nối với MSC qua một đường báo hiện. Nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị, bằng cách này có thể cấm một MS có dạng không được chấp thuận. Cơ sở dữ liệu của EIR chứa danh sách của các IMEI được tổ chức như sau: - Danh sách trắng: Chứa các IMEI mà được dùng để ấn định trước sự hợp lệ của thiếp bị di động. - Danh sách đen: Chứa các IMEI của MS mà được thông báo là bị mất cắp hay bị từ chối phục vụ vì một số lý do khác. - Danh sách sám: Chứa các IMEI của MS mà có vấn đề (ví dụ: lỗi phần mềm). Tuy nhiên chúng chưa đủ lý do xác đáng để đưa vào danh sách đen. 1.5.4- Trung tâm quản lý mạng (OMC: operation and maintenance center) Lớp thảo luận 1 Page 18 OMC cung cấp khả năng phân phối việc quản lý mạng được phân vùng hóa theo phân cấp của một hệ thống GSM hoàn chỉnh. NMC chịu trách nhiệm cho khai thác và bảo dưỡng ở mức mạng. NMC nằm ở đỉnh của cấu trúc mạng và vùng cấp mạng quản lý toàn cầu. 1.5.5- Trung tâm khai thác và bảo dưỡng (OMC: Operation and maintenance centr) OMC cung cấp một điển trung tâm mà từ đó điều khiển và giám sát các thực thể khác của mạng (như: các trạm cơ sở, các chuyển mạch, cơ sở dữ liệu …) cũng như giám sát chất lượng dịch vụ mà được cung cấp. Có hai loại OMC là: - OMC (R): điều khiển BSS. - OMC (S): điều khiển NSS. OMC cung cấp các chức năng sau: - Quản lý, cảnh báo sự kiện. - Quản lý việc thực hiện. - Quản lý cấu hình. - Quản lý sự an toàn. 2. SỬ DỤNG TẦN SỐ TRONG GSM Việc sử dụng tần số của hệ thống GSM, ta cần quan tâm đến 3 thông số: 2.1. Tỷ số C/I Tỷ số này đánh giá được nhiễu đồng kênh, nhiễu do tín hiệu không mong muốn có cùng tần số với tín hiệu thu mong muốn. C/I = 10log(Pc/Pi) (dB) Trong đó: - Pc: Công suất của tín hiệu thu mong muốn. - Pi: Công suất nhiễu thu được. Trong GSM, cho phép GSM nhỏ nhất là 12dB. 2.2. Tỷ số C/R C/R được tính bằng tỷ số giữa năng lượng trong cửa sổ và năng lượng ngoài cửa sổ của bộ cân bằng equalizer. C/R = 10log(Pd/Pr) - Pd: Là công suất thực hiện nhận được từ đường trực tiếp. - Pr: Công suất thực hiện nhận được từ đường gián tiếp. 2.3. Tỷ số C/A Tỷ số sóng mang trên nhiễu giao thoa kênh lân cận: Lớp thảo luận 1 Page 19 C/A = 10log(Pc/PA) - Pc: Công suất thu của tín hiệu thu mong muốn. - PA: Công suất thu của tín hiệu kênh lân cận. Hình 3.1. Để tăng số thuê bao sử dụng, cần sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến cho phép, người ta đưa ra rất nhiều phương pháp, trong đó phương pháp sử dụng lại tần số được sử dụng lại hiệu quả nhất. Hình 3.2. Trong mạng GSM, mỗi cell có một trạm BTS, được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến, và không trùng với các BTS liền kề. Một cụm cluster có kích thước N cell được lặp lại tại các vị trí địa lý khác nhau trong toàn vùng phủ sóng. Hệ thống tái sử dụng tần số: Lớp thảo luận 1 Page 20