Tài liệu Nghiên cứu tiến trình nâng cấp mạng thông tin di động gsm và giao thức

Lời mở đầu Lúc bắt đầu đồ án em vẫn chưa biết chọn đề tài gì, chỉ biết làm về 3G. Sau 1 thời gian thực tập và làm báo cáo thực tập em có điều kiện đọc nhiều hơn về công nghệ GSM. Em đã quyết định làm đề tài “ Nghiên cứu tiến trình nâng cấp mạng thông tin di động GSM và giao thức”, giúp em hiểu mạng thông tin di động GSM tiến lên 4G như thế nào và liên kết với những mạng thông tin khác như thế nào, đây là bước đặt vấn đề. Bước tiếp theo là giải quyết vấn đề, em sẽ tìm hiểu sau khi đi làm hoặc học cao học. Để hoàn thành đề tài đúng thời hạn, người đầu tiên em xin chân thành cám ơn là Thầy – Nguyên Ngọc Văn đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn. Người tiếp là, Thầy Quế - Học viện bưu chính viễn thông; Bác Giao, anh Phương, anh Thắng ở phòng NGN -Viện kỹ thuật bưu điện; anh Hồng Anh – ở đài chuyển mạch của Mobifone đã giúp em tài liệu và hướng dẫn chọn đề tài và anh trai thì luôn động viên để hoàn thiện đồ án sớm nhất có thể Hà Nội, ngày 15 tháng 5 nămg 2008 Sinh viên Lê Thị Thu Trang http://www.ebook.edu.vn Tóm tắt đồ án Nội dung đồ án chia làm 2 phần - Phần một: Trình bày theo tiến trình nâng cấp, phát triển của mạng thông tin di động GSM. Nội dung của mỗi Chương tập trung chủ yếu vào core network đó là; sơ đồ cấu trúc mạng (tương ứng với mỗi công nghệ), chức năng của phần tử trong mạng, giao diện và các kỹ thuật được sử dụng. - Phần hai: Khái quát chung một số giao thức sử dụng trong miền gói dữ liệu (từ GPRS đến 4G) như RTP, BICC, H.248/MEGACO, SIP… Giao thức giống như một quy tắc giao thông giúp cho việc lưu thông được thông suốt hơn Vì số lượng trang trong đồ án không cho phép nên em vẫn còn thiếu nhiều mảng vô tuyến trong thông tin di động, và phần giao thức vẫn chưa kỹ. Em sẽ tìm hiểu sau Thesis Summary The thesis content is devided two parts: - Part one: present the upgrade of GSM mobile communication from 2G(GSM) to 4G. The content of each chapter concentrate on the core network, as the network structure, the function of the elements in network, the interface and few used technologies - Part two: Introduce generally some protocols used in data package domain (from GPRS to 4G) such as RTP, BICC, H.248/MEGACO, SIP… The protocol is similar to the traffic rule that help traffic thông suốt hơn Beacause of the page limitation in the thesis. Therefore, I am short of the fields of the radio in the mobile communication, and lack the details of a protocol. I will study later -2- http://www.ebook.edu.vn Mục Lục Lời mở đầu ..................................................................................................................1 Tóm tắt đồ án ..............................................................................................................2 Mục Lục ......................................................................................................................3 Danh sách các Hình vẽ................................................................................................7 Danh sách các bảng.....................................................................................................8 Phần I Các công nghệ mạng thông tin di động GSM .......................................9 Chương 1 Mạng thông tin di động GSM......................................................9 1.1 Lịch sử phát triển ..........................................................................................9 1.2 Hệ thống GSM..............................................................................................9 1.2.1 Các thành phần của hệ thống. ..............................................................11 1.2.1.1 phân hệ vô tuyến ...........................................................................12 1.2.1.2 phân hệ chuyển mạch ....................................................................14 1.2.2 Các giao diện trong mạng GSM...........................................................16 1.2.2.1 Giao diện A giữa BSS – MSC.......................................................16 1.2.2.2 Giao diện Abis giữa BSC – BTS...................................................17 1.2.2.3 Giao diện B giữa MSC server – VLR ...........................................18 1.2.2.4 Giao diện C giữa HLR và MSC server .........................................18 1.2.2.5 Giao diện D giữa HLR và VLR ....................................................18 1.2.2.6 Giao diện E giữa những MSC server ...........................................18 1.2.2.7 Giao diện F giữa MSC server và EIR ...........................................19 1.2.2.8 Giao diện G giữa những VLR .......................................................19 1.2.2.9 Điểm giao diện Nc giữa MSC server và GMSC server ...............19 1.2.2.10 Giao diện H giữa HLR và AuC ....................................................19 1.3 Sự phát triển hệ thống không dây ...............................................................19 Chương 2 Công nghệ GPRS ...........................................................................21 2.1 giới thiệu chung về GPRS ..........................................................................21 2.2 Phần tử mới trong GPRS ............................................................................22 2.2.1 Những Node hỗ trợ của GPRS............................................................22 2.2.2 Sự phân biệt Data/Voice trong BSS.....................................................23 2.2.3 Đơn vị điều khiển kênh (Channel Control Unit) ................................23 2.2.4 Mạng tổng đài roaming GPRS.............................................................24 2.3 Giao diện trong mạng GPRS ......................................................................25 2.3.1 Giao diện Gb giữa BSS và SGSN.........................................................25 2.3.2 Giao diện Gr giữa SGSN và HLR........................................................25 2.3.3 Giao diện Gn và Gp giữa SGSN và GGSN .........................................26 2.3.4 Giao diện Gc là đường báo hiệu giữa GGSN và HLR.........................26 2.3.5 Giao diện Gf giữa SGSN và EIR .........................................................26 2.3.6 Giao diện Gs giữa MSC/VLR và SGSN..............................................26 2.4 Giao thức GPRS .........................................................................................27 -3- http://www.ebook.edu.vn Chương 3 Công nghệ GSM/EDGE ...............................................................27 3.1 Sự khác nhau về kỹ thuật giữa GPRS và EDGE .......................................27 3.2 Chuẩn hoá ...................................................................................................30 3.3 Tương lai của GSM/EDGE là hướng tới WCDMA ...................................31 3.4 Lợi ích của EGPRS....................................................................................31 Chương 4 Công nghệ UMTS Release ‘99.....................................................32 4.1 Tổng quan về UMTS (là 3G).......................................................................32 4.2 Những phần tử mới trong R99...................................................................35 4.3 Giao diện mới trong R99 ..........................................................................38 4.3.1 Giao diện Iu giữa UTRAN – CN .........................................................38 4.3.2 Giao diện Iu CS....................................................................................38 4.3.3 Giao diện Iu PS ...................................................................................40 4.3.4 Giao diện Iu BC ...................................................................................40 4.3.5 Giao diện Iur giữa RNC – RNC...........................................................41 4.3.6 Giao diện Iub giữa RNC – Node B ......................................................43 Chương 5 Công nghệ UMTS Release 4 ........................................................45 5.1 Giới thiệu ....................................................................................................45 5.2 Kiến trúc chuyển mạch mềm R4 ................................................................46 5.2.1 MSC server .........................................................................................47 5.2.2 Media gateway (MGW) .......................................................................47 5.2.3 Gateway MSC server (GMSC server) .................................................47 5.3 Những giao diện mới trong R4 ..................................................................48 5.3.1 Giao diện Mc: (G)MSC server tới CS-MGW.......................................48 5.3.2 Giao diện Nc giữa MSC server và MSC server...................................49 5.3.3 Giao diện Nb giữa 2 MGW..................................................................49 Chương 6 Công nghệ UMTS Release 5 .........................................................50 6.1 UMTS Realease 5: Giới thiệu IMS ..........................................................50 6.1.1 Những phần tử mới trong R5 ...............................................................50 6.1.1.1 CSCF – Call Session Control Function..........................................50 6.1.1.2 MGCF và MGW............................................................................52 6.1.1.3 HSS (Home Subscriber Server).....................................................52 6.1.1.4 AS (Application Server)................................................................52 6.1.1.5 BGCF (Breakout Gateway Control Function) ..............................52 6.1.1.6 MRF (Multimedia Resource Function)........................................53 6.1.1.7 SLF (Subscription Location Function).........................................53 6.1.1.8 Cổng báo hiệu (SGW) ...................................................................53 6.1.1.9 Cổng bảo mật ................................................................................54 6.1.1.10 PDF (Policy Decision Function) ..................................................54 6.1.2 Những giao diện trong kiến trúc IMS .................................................55 6.2 UMTS Realease 5: Truy cập gói downlink tốc độ cao (HSDPA).............57 6.3 UMTS Release 6 và Release 7....................................................................58 6.3.1 UMTS Release 6 ..................................................................................58 6.3.2 UMTS Release 7 và xa hơn .................................................................58 Chương 7 Các công nghệ không dây khác .....................................................59 -4- http://www.ebook.edu.vn 7.1 Mạng WLAN ..............................................................................................59 7.1.1 Giới thiệu chung về WLAN.................................................................59 7.1.2 So sánh WLAN và UMTS ...................................................................60 7.2 WiMax (chuẩn 802.16)...............................................................................64 7.2.1 Tổng quan về WiMax (802.16)............................................................64 7.2.2 So sánh 802.16 (WiMax) với UMTS, HSDPA, và WLAN...............68 7.3 UMTS vệ tinh (satellite UMTS) .................................................................69 Chương 8 Tổng quan về 4G............................................................................73 8.1 Yêu cầu xây dựng mạng di động không dây thế hệ mới 4G ......................73 8.2. Các quan điểm tiếp cận mạng thế hệ mới 4G.............................................73 8.2.1. Cách tiếp cận theo quan điểm hệ thống ...............................................73 8.2.2. Cách tiếp cận theo quan điểm tích hợp mạng ......................................74 8.3. Định nghĩa mạng di động ALL-IP 4G.......................................................74 8.4. Các thế hệ công nghệ..................................................................................75 8.5 Các đặc điểm công nghệ 4G .......................................................................78 8.5.1 Hỗ trợ lưu lượng IP ..............................................................................79 8.5.2 Hỗ trợ tính di động tốt..........................................................................79 8.5.3 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau .......................................79 8.5.4 Không cần liên kết điều khiển .............................................................80 8.5.5 Hỗ trợ bảo mật đầu cuối-đầu cuối........................................................80 8.6 Các mô hình khuyến nghị cho 4G ..............................................................81 8.6.1 Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4G của mobile it forum.........81 8.6.2 Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của mobi dick...................82 8.6.3 Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của cisco...........................82 8.7 Mạng 4G tổng quát .....................................................................................83 8.8 KẾT LUẬN ................................................................................................84 Phần 2 Giao Thức và hiện trạng mạng di động ở Việt Nam............................84 Chương 9 Giao thức trong Release 4..............................................................84 9.1 Giao thức RTP ............................................................................................84 9.1.1 RTP ở giao diện Nb .............................................................................84 9.1.2 Bộ nhận dạng nguồn ............................................................................85 9.1.3 Bảo mật với RTP..................................................................................86 9.1.4 Sự dư thừa trong RTP ..........................................................................86 9.2 Giao thức SDP (Session Description Protocol)..........................................86 9.3 MGCP (Media Gateway Control Protocol) ................................................86 9.4 Giao thức H.248..........................................................................................88 9.4.1. Lịch sử phát triển. ................................................................................88 9.4.1.1 MEGACO và MGCP .....................................................................88 9.4.2 Các thuật ngữ và mô hình kết nối ........................................................89 9.4.2.1 Media Gateway .............................................................................89 9.4.2.2 Termination và Context.................................................................90 9.4.2.3 Đặc tính, sự kiện, tín hiệu và thống kê.........................................91 9.4.2.4 Định nghĩa Lệnh...........................................................................92 9.4.2.5 Bản tin, giao dịch, hành động.......................................................93 -5- http://www.ebook.edu.vn 9.4.2.6 Gói ................................................................................................94 9.4.2.7 Mô tả.............................................................................................95 9.4.3 Chi tiết về các lệnh...............................................................................96 9.4.3.1 ADD .............................................................................................96 9.4.3.2 MODIFY ......................................................................................97 9.4.3.3 SUBTRACT..................................................................................98 9.4.3.4 MOVE ..........................................................................................99 9.4.3.5 SERVICECHANGE...................................................................100 9.4.3.6 NOTIFY......................................................................................100 9.4.4 Các kịch bản.......................................................................................100 9.4.4.1 Khởi tạo MG (khởi động lạnh)....................................................100 9.4.4.2 Thiết lập cuộc gọi........................................................................102 9.4.4.3 Giải phóng cuộc gói: kịch bản 1, kịch bản 2, kịch bản 3 ............102 9.4.4.4 Kiểm tra giá trị_AuditValue........................................................102 9.5 BICC (Bearer-Independent Call Control)...............................................103 9.6 Giao thức SIGTRAN ................................................................................104 9.7 Tổng kết ....................................................................................................104 Chương 10 Giao thức trong Release 5..........................................................105 10.1 Giao thức SIP (Session Initiation Protocol) ............................................105 10.1.1 Đánh địa chỉ SIP .............................................................................105 10.1.2 Những thành phần SIP .....................................................................106 10.1.2.1 UA (User Agent) .......................................................................106 10.1.2.2 Proxy Server..............................................................................107 10.1.2.3 Registrar server .........................................................................107 10.1.2.4 Redirect server..........................................................................107 10.1.2.5 Location service ........................................................................107 10.1.3 SIP messages (Những bản tin SIP) ..................................................107 10.1.4 SIP responses ..................................................................................109 10.1.5 Conferencing with SIP .....................................................................109 Chương 11 Hiện trạng mạng di động ở Việt Nam .......................................110 11.1 Hiện trạng công nghệ CDMA, GSM và WiMax trên thế giới ...............110 11.1.1 CDMA..............................................................................................110 11.1.2 GSM .................................................................................................111 11.1.3 WiMAX ...........................................................................................111 11.2 Tình hình tại Việt Nam ...........................................................................111 11.3 Tình hình chuẩn bị lên 3G của các nhà khai thác viễn thông ở Việt Nam .........................................................................................................................113 Chữ viết tắt ..............................................................................................................117 Tài liệu tham khảo...................................................................................................124  -6- http://www.ebook.edu.vn Danh sách các Hình vẽ Hình 1.1: Mô hình hệ thống GSM ............................................................................12 Hình 2.1: Tổng quan những thay đổi trong BSS và mạng lõi GSM.........................21 Hình 2.2: Mạng tổng đài Roaming GPRS (GRX) ...................................................24 Hình 2.3: Những lớp của giao diện Gb ....................................................................25 Hình 2.4: Giao thức của GPRS ................................................................................27 Hình 3.1: EGPRS giới thiệu những thay đổi trên BSS trong mạng GPRS...............28 Hình 3.2: Biều đồ I/Q chỉ ra những ích lợi điều chế của EDGE .............................29 Bảng 3.2: Tốc độ và điều chế của MCS-1 tới MCS-9 ..............................................29 Hình 3.3: Giao thức của EDGE.................................................................................31 Hình 3.4: Hội tụ nhiều chuẩn khác nhau về EDGE ..................................................32 Hình 4.1: Vùng phủ sóng của UMTS .......................................................................33 Hình 4.2: Những phần tử mới cho mạng UMTS ......................................................35 Hình 4.3: Kiến trúc phần truy nhập...........................................................................36 Hình 4.4: Cấu trúc giao thức Iu CS...........................................................................39 Hình 4.5: Cấu trúc giao thức Iu PS ..........................................................................40 Hình 4.6: Nhóm giao thức của giao diện Iur. ..........................................................41 Hình 4.7: Giống giao thức giao diện Iur ...................................................................43 Hình 4.8: Mô hình logic của Node B đối với FDD...................................................44 Hình 5.1: Khái niệm mạng đơn đối với R4 UMTS..................................................45 Hình 5.2: Những phần tử mới cho mạng UMTS R4................................................46 Hình 5.3: Kiến trúc mạng BICC với giao diện A và Iu ............................................48 Hình 5.4: User plane cho UMTS R4.........................................................................49 Hình 6.1: Hệ thống phụ đa truy nhậm ( IP multimedia subsystem (IMS) )..............50 Hình 6.2: Chuyển đổi báo hiệu trong SGW ..............................................................54 Hình 6.3: Kiến trúc IMS...........................................................................................55 Hình 7.1: Kiến trúc của WLAN ................................................................................59 Hình 7.2: Tốc độ dữ liệu và sự phụ thuộc của chúng vào di động ...........................61 Hình 7.3: Kiến trúc nối liền giữa WLAN IEEE 802.11 và UMTS.........................62 Hình 7.4: Quan hệ nối liền giữa IEEE 802.11 WLAN AP và 3G-SGSN...............63 Hình 7.5: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax ...................................................................65 Hình 7.6: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ ...................................66 Hình 7.7: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP ...........................................................67 Hình 7.8: Kiến trúc mạng UMTS vệ tinh..................................................................69 Hình 7.9: Cấu trúc bên trong của cổng .....................................................................69 Hình 7.10: Viễn cảnh vệ tinh trong suốt – Tích hợp ở Iub ( BPNodeB ) và ở Iu ( BPRNC ) .........................................................................................................71 Hình 8.1: Các công nghệ không dây tích hợp mạng 4G ..........................................75 Hình 8.2: Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của mobile it forum..............81 Hình 8.3: Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của mobi dick.......................82 Hình 8.4: Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của cisco...............................82 Hình 8.5: Kết nối liên tục giữa các mạng ................................................................83 -7- http://www.ebook.edu.vn Hình 9.1: Điều khiển cổng phương tiện (media) .....................................................87 Hình 9.2: Lịch sử phát triển của H.248....................................................................88 Hình 9.3: Mô tả kết nối H.248 .................................................................................89 Hình 9.4: Vị trí của RTP ..........................................................................................91 Hình 9.5: Mối quan hệ giữa bản tin và giao dịch.....................................................94 Hình 9.6: Mối quan hệ giữa giao dịch, context và lệnh ...........................................94 Hình 9.7: Các mô tả .................................................................................................95 Hình 9.8: Kiến trúc của BICC...............................................................................104 Hình 10.1: Kiến trúc thành phần SIP .....................................................................106 Hình 11.1: Xu hướng phát triển các chuẩn viễn thông ...........................................112 Hình 11.2: Mạng GPRS của MobiFone ..................................................................114 Danh sách các bảng Bảng 1.1: Tốc độ từ CS-1 đến CS-4 .........................................................................24 Bảng 3.1: GPRS và EDGE: So sánh thông tin kỹ thuật............................................28 Bảng 3.2: tốc độ và điều chế của MCS-1 tới MCS-9 ..............................................29 Bảng 9.1: Header của RTP......................................................................................85 Bảng 9.2: RTP payload type assignment ................................................................85 Bảng 9.3: So sánh MEGACO và MGCP ................................................................88 Bảng 10.1: Những giải pháp SIP...........................................................................108 Bảng 10.2: Những lớp code trả lời của SIP ..........................................................109 -8- http://www.ebook.edu.vn Phần I Chương 1 Các công nghệ mạng thông tin di động GSM Mạng thông tin di động GSM 1.1 Lịch sử phát triển Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, khởi đầu từ những năm 70 với các công nghệ tiêu biểu như AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại North American (1983), NTT tại Nhật (1977) và NMT (Nordic Mobile Telephone) tại Europe (1983). Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT – European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations) thành lập 1 nhóm nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu âu. Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991 Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI – European Telecommunication Standards Institute) được thành lập, có trách nhiệm biến đổi nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European Ngày 01/07/1991 ở Phần Lan (finland) cuộc gọi điện thoại GSM đầu tiên từ công viên Helsinki, đánh dấu GSM900 Phase 1 ở European. Năm 1995, chuẩn GSM đã phát triển lên Phase 2. Tập trung phát triển vào phát đàm thoại và những dịch vụ liên quan đến những cuộc gọi đàm thoại N ăm 1998, 3GPP (the Third Generation Partnership) phát triển chuẩn GSM lên GPRS và EDGE Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA -1G, 2G – là kết hợp FDMA và TDMA, 3G – CDMA 1.2 Hệ thống GSM Hệ thống GSM làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890960MHz). Băng tần được chia làm 2 phần: ƒ Uplink band từ (890 – 915) MHz ƒ Downlink ban từ (935 – 960)MHz Băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số -9- http://www.ebook.edu.vn riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM. Tốc độ mã từ (6.5 – 13)Kbps. 125 kênh tần số được đánh số từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần số tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). Ful(n) = 890 MHz + (0,2MHz) * n Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz Với 1 <= n <= 124 Cấu trúc của 2 kênh vật lý và kênh logic: - Các kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến của GSM. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA dài 4,62ms gồm có 8 khe thời gian (một khe dài 577 μ s) - Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS. Các kênh logic này được đặt vào kênh vật lý nói trên. Có thể chia các kênh logic gồm 2 loại kênh: các kênh lưu lượng (TCH) và các kênh báo hiệu điều khiển Kỹ thuật đa truy cập tại giao diện vô tuyến Trong hệ thống thông tin vô tuyến/ di động, các kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng đề điều khiển việc cấp phát tài nguyên mạng. Mục đích của các kỹ thuật đa truy nhập là: Cung cấp cho mỗi người dùng (user-đầu cuối) phương cách truy nhập xác định tới nguồn tài nguyên cần chia sẻ (phổ tần số - spectrum); giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu giữa các thuê bao; sử dụng hiệu quả băng tần sẵn có; hỗ trợ việc cấp phát tài nguyên linh hoạt (cho các dịch vụ khác nhau) Các phương pháp đa truy nhập Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access ) Khái niệm: FDMA là một phương thức đa truy nhập mà mỗi thuê bao được cấp phát một kênh tần số xác định và duy nhất thuê bao đó có quyền sử dụng kênh tần số này trong suốt quá trình liên lạc. (Qualcomm, 1997) Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access) Khái niệm: TDMA là phương thức chia sẻ kênh tần số được cấp phát cho một số thuê bao. Tuy nhiên, mỗi thuê bao chỉ được phép trao đổi thông tin (thu/phát) tại -10- http://www.ebook.edu.vn một khe thời gian nhất định trước. khi đó các kênh mang thông tin của các thuê bao sử dụng chung 1 kênh tần số được phân biệt về mặt thời gian. (Qualcomm, 1997) Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access) Khái niệm: CDMA là một phương thức đa truy nhập trong đó các thuê bao có thể sử dụng đồng thời kênh tần số được cấp phát tại mọi thời điểm và được phân kênh thông qua một mã được cấp phát duy nhất. Tín hiệu được phân biệt tại máy thu sử dụng một bộ tương quan cho phép chỉ nhận năng lượng tín hiệu từ kênh mong muốn. Tín hiệu từ các kênh khác được coi như nhiễu đối với máy thu đó. (Qualcomm, 1997) 1.2.1 Các thành phần của hệ thống. PLMN theo chuẩn GSM được chia làm 3 phân hệ: ™ Phân hệ chuyển mạch – NSS (Network Switching Subsytem): MSC, HLR, VLR, AuC, EIR ™ Phân hệ vô tuyến – RSS = BSS + MS RSS – Radio SubSystem -> MS = ME +SIM: Trong SIM chứa các số nhận dạng IMSI, TMSI; số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI - > BSS = TRAU + BSC + BTS: BSS kết nối với NSS qua cổng PCM cơ sở 2Mbps ™ Phân hệ vận hành và bảo dưỡng (khai thác) – OMS (Operation and Maintenance Subsystem) Phân hệ khai thác thực hiện 3 chức năng chính: Khai thác và bảo dưỡng mạng, Quản lý thuê bao và tính cước, Quản lý thiết bị di động -11- http://www.ebook.edu.vn Hình 1.1: Mô hình hệ thống GSM 1.2.1.1 phân hệ vô tuyến BSS (Base Station System ) có chức năng cung cấp đường truyền giữa MS với tổng đài MSC. BSS trao đổi thông tin với MS trên giao diện vô tuyến Um và với MSC (SGSN) bằng các truyến truyền dẫn 2Mbps qua giao diện A(Gb): BSS = BSC + BTS + TRAU (TCE) BSC ( Base Station Controller) điều khiển 1 vài Cell (1 vài BTS) vàquản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển xa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (handover). Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có vai trò quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao. BSC phải thực hiện 1 vài chức năng: - ước lượng báo hiệu giữa MS và tổng đài (mạng lõi – CN) -12- http://www.ebook.edu.vn - performing gaging in a group of cells for every mobile terminating call (MTC) - Quản lý tài nguyên vô tuyến đối với mỗi BTS - Chuyển mạch khe thời gian từ mạng lõi tới đúng BTS - Cung cấp điểm truy cập bảo trì và vận hành chính cho toàn bộ BSS - Lưu dữ cấu hình data đối với tất cả những phần tử trong BSS. Handover là 1 thuê bao từ Cell này đến cell khác, yêu cầu mọi BTS phải: Î Đánh giá thông báo đo lường được phát từ mọi di động trong suốt quá trình gọi, để xác định khi nào thì chuyển giao Î Truy cập tới tài nguyên có sẵn trong mỗi BTS hàng xóm; Î Có thể thông tin với BTS hàng xóm để yêu cầu tài nguyên cho mỗi mobile cần handover, và hợp tác handover Î Hợp tác handover(chuyển giao) với tổng đài điện thoại mục đích để nó biết BTS nào đang xử lý mỗi cuộc gọi BTS (Base Transceiver Station) trong 1 cell. BTS có chức năng trao đổi thông tin với MS. Mỗi BTS bao gồm các thiết bị thu phát, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến để cung cấp giao diện vô tuyến cho một cell. Dung lượng kênh thoại của mạng GSM, trong bất kỳ một vùng, được xác định bởi số lượng tần số mang trên mỗi cell và mật độ cell trên một vùng. nhiệm vụ chính của BTS là: - Mã kênh (sử dụng FR, HR hoặc EFR), mật mã và giải mật mã (chỉ với những kết nối chuyển mạch kênh) - đồng bộ một vài mật mã MS về thời gian và tần số - Khối vô tuyến tương tự để điều chế, khuyếch đại và phối hợp thu phát - Khối băng gốc để phối hợp tốc độ truyền thoại, số liệu và mã hoá kênh - sự ước lượng và optimizatin về chất lượng phát UL và DL (sử dụng nhiều cách đo riêng và những thông báo đo MS) TRAU(TCE): Tín hiệu trên giao diện vô tuyến được mã hoá ở tốc độ 13kbps sử dụng mã tiền định tuyến tính LPC. Để thích ứng tốc độ này với tốc độ mạng thoại cố định PSTN cần có bộ chuyển đổi mã TRAU để chuyển đổi giữa 13kbps LPC và 64kbps PCM giữa MS và MSC. TRAU có thể đặt tại BTS, BSC hoặc tại MSC. Mỗi 20ms chứa 260bit tiếng sẽ được bổ sung 60bit và tốc độ luồng số mỗi kênh đạt 16kbps. Với truyền số liệu, không cần chuyển đổi mã nhưng tốc độ số liệu thay đổi -13- http://www.ebook.edu.vn từ 9,6kbps lên 16kbps để truyền trên giao diện kênh mặt đất (trong đó có 3kbps TRAU) ME (Mobile Equiptment) = hardware + software là thiết bị di động. ME tương đương số IMEI = Assigned at the factory SIM: lưu giữ thông tin nhận thực thuê bao và mật mã hoá/ giải mật mã hoá. Các thông tin lưu dữ trong SIM Các sô nhận dạng IMSI, TMSI - Khoá nhận thực Ki - Khoá mật mã Kc - Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI (LAI – Location Area ID) - Danh sách các tần số lân cận Có 3 lớp khác biệt của thiết bị di đ ộng (ME) GPRS với GSM. - Lớp A: thiết bị có khả năng xử lý cuộc gọi thoại và chuyển gói data ở cùng một thời điểm. - Lớp B: Thiết bị có thể xử lý thoại hoặc lưu lượng gói data và có thể đặt việc chuyển gói ở trạng thái trờ để nhận cuộc gọi thoại. - Lớp C: Thiết bị có thể xử lý cả 2 thoại và data 1.2.1.2 phân hệ chuyển mạch MSC ( Mobile service Switching Centre) có nhiệm vụ điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM. Một mặt giao tiếp với BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài (qua GMSC) MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC. MSC thực hiện các chức năng: Xử lý cuộc gọi, vận hành và bảo dưỡng, chức năng tương tác và tính cước. MSC có thể triển khai ở 2 dạng: MSC server - xử lý báo hiệu; CS-MGW xử lý báo hiệu người dùng MSC server điều khiển cuộc gọi từ lúc bắt đầu đến kết thúc trong miền CS, hoàn thành báo hiệu và biên dịch vào trong mạng báo hiệu. Chứa dữ liệu dịch vụ thuê bao trong VLR và dữ liệu liên quan CAMEL. CS-MGW (Circuit Switch - Media Gateway Function) giúp chuyển đổi phương tiện, điều khiển vật mang và xử lý kích thước gói qua giao diện Iu. H.248 được đề nghị để xác nhận mã phụ thêm và những giao thức đóng khung. -14- http://www.ebook.edu.vn IWF (the Interworking Function) nối tới MSC để cung cấp liên kết giữa mạng PLMN và mạng cố định (ISDN, PSTN và PDNs). Việc giao tiếp với mạng ngoài đòi hỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác IWF) để thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM và các mạng ngoài. Chức năng của IWF là - phụ thuộc vào dịch vụ và loại mạng cố định. - Chuyển giao thức được dùng trong mạng PLMN sang những giao thức được dùng trong mạng cố định GMSC (the Gateway MSC): Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng GMSC mà không cần biết vị trí hiện thời của thuê bao.GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú). Muốn vậy, trước hết các tổng đài phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này: MSC -> HLR tương ứng -> MSC có MS. - GMSC quyết định điều khiển kết nối với mạng bên ngoài, khi truy vấn tới HLR và MSC. - Được triển khai trên 2 thực thể: GMSC server – xử lý báo hiệu và CS-MGW - Nếu cuộc gọi là đàm thoại/quảng bá, thì call được định tuyến trực tiếp tới MSC kết nối với VBS/VGCS HLR (the Home Location Register) là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao - Các số nhận dạng thuê bao IMSI, MSISDN - Các thông tin về thuê bao (từ 1-4 triệu thuê bao ) - Danh sách các dịch vụ MS được/hạn chế sử dụng - Số hiệu VLR đang phục vụ MS AuC (the Authentication Centre) là cơ sở dữ liêu lưu giữ các khoá thuê bao Ki cho tất cả các thuê bao trọng mạng. AuC có chức năng nhận thực và tạo khoá Kc để sử dụng trong cuộc gọi. VLR (the Visition Location Register) là cơ sở dữ liệu trung gian lưu giữ tạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR. -15- http://www.ebook.edu.vn - Vị trí hiện thời của MS trong vùng phục vụ MSC nào Trạng thái thuê bao (bận-busy, rỗi-idle) Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI Nhận dạng vùng LAI. Số lưu động trạm di động MSRN EIR (the Equipment Identity Register) là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của thiết bị ME qua số IMEI. Một số thiết bị sẽ có số IMEI thuộc 1 trong 3 danh sách. - Sách trắng: IMEI hợp lệ - Sách đen: IMEI của MS bị mất cắp - Sách xám: IMEI của MS bị lỗi không đáp ứng đựơc chuẩn GSM EIR được truy cập từ MSC của mạng hoặc MSC mạng khác. Trong mạng có thể có nhiều EIR SMS – GMSC (SMS Gateway MSC) là một giao diện giữa trung tâm SMS và PLMN, message ngắn được gửi tới MS từ trung tâm dịch vụ (SC – Service Centre) 1.2.2 Các giao diện trong mạng GSM 1.2.2.1 Giao diện A giữa BSS – MSC Là khả năng cung cấp nhiều dịch vụ cho những người dùng GSM và thuê bao. Thêm vào đó, giao diện A cho phép cấp phát tài nguyên phù hợp trong mạng PLMN, vận hành và bảo quản những tài nguyên này. Chỉ tiêu kỹ thuật mà giao diện A cho phép là: - Kết nối của nhiều hãng sản xuất BSS khác nhau tới cùng 1 MSC và ngược lại - Sử dụng cùng một kiểu BSS (MSC) trong nhiều mạng PLMN - Phát triển riêng của MSC và kỹ thuật BSS - Tiến tới giảm tốc độ mã thoại - hỗ trợ tất cả những dịch vụ Tập hợp những đặc tính gồm: Những tham số vật lý và điện từ trường, cấu trúc kênh, tiến trình vận hành mạng, thông tin vận hành và duy trì bảo dưỡng. Định nghĩa giao diện MSC tới BSS giống trong mạng ISDN. Lớp 3 có thêm những thủ tục để điều khiển tài nguyên vô tuyến và nhận dạng nhiều sự kiện sử dụng SCCP. Lớp 2 dựa vào báo hiệu SS7 MTP (Message Transfer Part), hoặc trong trường hợp vận chuyển báo hiệu cơ sở IP – M3UA và SCTP. Trong trường hợp SS7 MTP, lớp 1 là số (ở 2,048Mbps) hoặc tương tự thì data vẫn được cho qua vì sử dụng modem. -16- http://www.ebook.edu.vn Cụ thể hoá lớp 3 là 2 giao thức giao diện được nhận dạng trong BSS tới MSC là: BSSOMAP, BSSAP - BSSAP được chia thành BSSMAP và DTAP: DTAP text giúp messages giao diện không khí ở lớp 3 được đi qua BSS và DTAP text cũng được xử lý ở BSS; BSSMAP chịu trách nhiệm nhiều khía cạnh của xử lý tài nguyên vô tuyến trong BSS. Text được cấu trúc như một tập những tiến trình được định nghĩa và có thể tận dụng bởi nhà khai thác/ nhà sản xuất để phù hợp tới những yêu cầu ứng dụng đang dùng. Chính những tiến trình bị điều khiển theo những chế độ khác nhau phụ thuộc vào tham số đầu vào được nhận từ MSC hoặc được gửi từ OMC - BSSOMAP hỗ trợ tất cả những thông tin O và M cho BSS bởi MSC hoặc BSS 1.2.2.2 Giao diện Abis giữa BSC – BTS Giao diện Abis có khả năng hỗ trợ tất cả những dịch vụ tới người dùng GSM và nhiều thuê bao. Thêm vào đó, nó cho phép điều khiển thiết bị và cấp phát tần số trong BTS Những chỉ tiêu kỹ thuật giao diện Abis cho phép: - Kết nối của nhiều nhà sản xuất BTS/TRX khác nhau tới cùng một BSC và ngược lại, tuỳ theo định vị những bộ chuyển mã - sử dụng cùng một loại BTS/TRX (BSC) trong nhiều mạng PLMN, tuỳ theo sự định vị bộ chuyển mã - Phát triển riêng của BSC và kỹ thuật BTS/TRX - Tiến tới đổi mới những tiện nghi O & M - Định vị những bộ chuyển mã trong BSC hay trong BTS - Giải pháp vật lý khác nhau của thiết bị khác nhau trong BTS - Hỗ trợ TRX đơn cấu thành BTS Định nghĩa giao diện Abis tiến tới giống ISDN: Lớp 3 bằng những tiến trình thêm vào để điều khiển tài nguyên vô tuyến; Lớp 2 dựa vào giao thức LAPD; Lớp 1 là số (ở tốc độ 2,048Mbps) hoặc tương tự thì data được đi qua bởi modem Trường hợp transcoder được đặt bên ngoài BTS, trễ truyền toàn bộ trên 1 đường giữa điểm kết nối PSTN/ISDN và MS được giới hạn là 1,5ms ( xấp xỉ 300km). Transcoder đặt trong BTS, giới hạn là 6,5ms (xấp xỉ 1300km). Transcoder là một phần của BSS và có thể được đặt ở bên ngoài BTS (e.g ở MSC-site hoặc ở BSC-site) để có thể ghép kênh thoại và data trên những đường link trong BSS và trên đường link BSC-BTS -17- http://www.ebook.edu.vn TRX (Transceiver): trong mạng GSM PLMN là một phần tử chức năng hỗ trợ 8 kênh vô tuyến cơ sở của TDMA-frame BCF (Base Control Function): là phần tử chức năng xử lý những chức năng điều khiển chung trong BTS, e.g frequency hopping sequences. Ở nhiều BTS-site, một trong số những BCF có thể được chọn để thực hiện nhiều chức năng thông thường (e.g external alarms, power supply, time base) 1.2.2.3 Giao diện B giữa MSC server – VLR VLR là cơ sở data định vị và quản lý những thuê bao di động roaming đến khu vực MSC server mà VLR kết hợp. Bất kỳ khi nào MSC server cần data liên quan tới MS trong khu vực MSC này, nó sẽ tham chiếu tới VLR. Khi MS roam đến một vùng định vị khác, nó sẽ updating thông tin location với MSC server ở nơi đó, MSC server lại thông tin tới VLR để chứa thông tin này. Khi một thuê bao kích hoạt dịch phụ hay giảm bớt một vài data gắn với dịch vụ, MSC server thông tin (thông qua VLR) tới HLR là nơi chứa nhiều sửa đổi và updata tới VLR nếu yêu cầu. Giao diện B bên trong MSC server/VLR 1.2.2.4 Giao diện C giữa HLR và MSC server GMSC server phải tham chiếu tới HLR thuê bao yêu cầu để thực hiện định tuyến thông tin cuộc gọi hoặc bản tin ngắn (SMS) tới thuê bao đó 1.2.2.5 Giao diện D giữa HLR và VLR Giao diện D được dùng để trao đổi data định vị MS và quản lý thuê bao. Dịch vụ chính cung cấp cho thuê bao di động là thiết lập hoặc nhận những cuộc gọi. Để hỗ trợ điều đó, những danh sách định vị phải trao đổi data. VLR thông tin cho HLR định vị MS (HLR of location of MS) ( khi updating định vị hay thiết lập cuộc gọi) số roaming của MS đó. HLR gửi tất cả data liệu cần tới VLR để hỗ trợ dịch vụ cho thuê bao di động. Sau đó HLR chỉ đạo VLR trước đó phải xoá đi đăng ký định vị thuê bao này. 1.2.2.6 Giao diện E giữa những MSC server Khi một MS di chuyển từ một MSC này tới một MSC khác trong suốt cuộc gọi, tiến trình handover phải thực hiện để duy trì thông tin. Do đó, những MSC server phải trao đổi data để bắt đầu và thực hiện hoạt động Khi SMS được dịch chuyển giữa MS và trung tâm dịch vụ SMS, giao diện này có chức năng dich chuyển message giữa MSC server phục vụ MS và MSC server làm việc với SC. -18- http://www.ebook.edu.vn 1.2.2.7 Giao diện F giữa MSC server và EIR Giao diện F dùng để trao đổi data, mục đích để EIR có thể xác nhận tình trạng IMEI được gửi từ MS. 1.2.2.8 Giao diện G giữa những VLR Tiến trình đăng ký định vị sẽ xảy ra khi thuê bao di động di chuyển từ VLR này tới VLR khác. Tiến trình này gồm việc phục hồi lại IMSI và những tham số xác nhận từ VLR cũ 1.2.2.9 Điểm giao diện Nc giữa MSC server và GMSC server Trên điểm giao diện Nc, việc điều khiển cuộc gọi cơ sở giữa mạng - mạng được thực hiện. Ví dụ là ISUP hoặc sự phát triển của ISUP cho điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC – Bearer Independent Call Control). Lựa chọn khác dành cho vận chuyển báo hiệu trên Nc là IP. Nc sẽ cho phép sử dụng bất kỳ giao thức điều khiển cuộc gọi phù hợp (BICC, SIP-T) mà có thể hỗ trợ yêu cầu lưu lượng. 1.2.2.10 Giao diện H giữa HLR và AuC Khi HLR nhận yêu cầu xác nhận và mật mã hoá dữ liệu cho thuê bao di động và nó cũng không dữ dữ liệu yêu cầu, HLR yêu cầu dữ liệu từ AuC 1.3 Sự phát triển hệ thống không dây Thế hệ 1G: tất cả những hệ thống đều bắt nguồn từ 1G đó là hệ thống tương tự (với thoại là lưu lượng chính). Một vài chuẩn là NMT, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac, TACS và ETACS. -19- http://www.ebook.edu.vn Thế hệ 2G: Tất cả những chuẩn thuộc vào 2G là trung tâm thương mại và chúng là dạng số. Vào khoảng 60% thương mại hiện nay bị chi phối bởi chuẩn Châu Âu. Những chuẩn 2G là GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS (2,5G), HSCSD, và WiDEN. Thế hệ 3G: Đáp ứng yêu cầu phát triển dung lượng mạng, tốc độ (tốc độ dịch chuyển dữ liệu) và những ứng dụng đa phương tiện, chuẩn 3G bắt đầu được đưa ra. Những hệ thống trong chuẩn này là sự phát triển tuyến tính của hệ thống 2G. Chúng dựa vào 2 cơ sở hạ tầng chính song song tồn tại đó là những node chuyển mạch kênh, và những node chuyển mạch gói. ITU định nghĩa một bộ những kỹ thuật giao diện không khí cho 3G, như là phần sáng kiến của IMT-2000. Hiện nay, sự chuyển giao xảy ra từ hệ thống 2G tới 3G. Một phần của sự chuyển giao này là một số những kỹ thuật đang được chuẩn hóa. - 2,75G: là EDGE, EGPRS - 3G: là UMTS(W-CDMA), CDMA 2000 & 1xEV-DO/IS-856, FOMA, TDSCDMA, GAN/UMA - 3.5G: UMTS (HSDPA), UMTS (HSUPA) - Post 3G: UMTS (HSOPA/LTE) Thế hệ 4G: Tùy theo nhóm làm việc 4G, cơ sở hạ tầng và đầu cuối của 4G sẽ có tất cả những chuẩn từ 2G tới 4G đã triển khai. Cơ sở hạ tầng cho 4G sẽ chỉ là gói (allIP). Một vài đề xuất đó là có một platform mở ở đó những đổi mới và phát triển có thể phù hợp. Những kỹ thuật đang được xem xét như pre-4G là WiMax, WiBro, iBurst, 3GPP Long term Evolution và 3GPP2 Ultra Mobile Broadband. Những kỹ thuật chính là: - kỹ thuật baseband (băng cơ sở) là -> OFDM: để khai thác đặc tính kênh chọn lọc tần số -> MIMO: để đạt được hiệu suất phổ cao nhất -> Turbo principle: để giảm đến mức nhỏ nhất SNR theo yêu cầu ở bên thu - Giao diện vô tuyến thích ứng - Điều chế, xử lý không gian gồm MIMO nhiều anten và nhiều người dùng - Relaying (sự chuyển tiếp), gồm mạng chuyển tiếp cố định(FRN-Fixed Relay Network), và the cooperative relaying concept, được biết như là giao thức nhiều chế độ -20- http://www.ebook.edu.vn