Đề tài Hệ thống thông tin di động GSM và các phương pháp đa truy cập

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú. Bằng những bước phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử - Tin Học - Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con người từng giờ từng phút, nó tạo ra một trào lưu "Điện Tử – Tin Học – Viễn Thông" trong mọi lĩnh vực ở thế kỷ 21. Lĩnh vực Thông Tin Di Động cũng không nằm ngoài trào lưu đó. Cùng với nhiều công nghệ khác nhau Thông Tin Di Động đang không ngừng phát triển đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo nhiều thuận lợi về thời gian cũng như không gian. Chắc chắn trong tương lai Thông Tin Di Động sẽ được hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu thông tin tự nhiên của con người. Trên cơ sở những kiến thức đã tích luỹ được qua 3 năm học tập chuyên ngành Điện Tử Viễn Thông tại trường … và gần hai tháng thực tập tại …, em đã hoàn thành bản báo cáo thực tập tốt nghiệp này. Trong bản báo cáo này em đã nêu các phần như sau: Tổng quan về hệ thống GSM Các kỹ thuật đa truy cập trong thông tin di động Các dịch vụ được cung cấp qua hệ thống thông tin di động Các mạng thông tin di động trong nước Để hoàn thành bản báo cáo này em xin chân thành cảm ơn thầy giáo … đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp. Em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của đài trưởng … cùng các cán bộ thuộc … trong suốt quá trình thực tập. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ( Global System For Mobile Communication) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các mạng thong tin di đông GSM cho phép có thể roaming với nhau, do đó những máy điện thoại di động GSM khác nhau có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới. GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động trên thế giới. Khả năng phủ sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng điện thoại di động của họ ở nhiều vùng trên thế giới. GSM khác với chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ hai (second generation, 2G). GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Đứng về phía quan điểm của khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn. Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng. GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Thông tin di động là hệ thống liên lạc thông qua sóng điện, vừa liên lạc vừa di chuyển được. Các dịch vụ của điện thoại di động cho đến đầu những năm 1960 mới xuất hiện, các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này chưa tiện lợi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay. *) Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G, sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Nhược điểm của các hệ thống này là chất lượng thấp, vùng phủ sóng hẹp và dung lượng nhỏ. Các hệ thống này phát triển ở cả Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản. Năm 1987, Nhật Bản đưa vào hệ thống di động tổ ong tương tự đầu tiên của hãng NTT. Tiếp sau đó, hệ thống điện thoại di động của Bắc Âu (NMT-Nordic Mobile Telephone) được đưa vào khai thác năm 1981. Hệ thống này hoạt động ở cả hai băng tần 450-900MHz. Năm 1983 Mỹ cho ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến (AMPS-Advance Mobile Phone System). Năm 1985, hệ thống thông tin thâm nhập toàn bộ (TACS-Total Access Communication) được bắt đầu sử dụng ở nước Anh và sau đó là ở Đức. Năm 1991, Mỹ phát triển hệ thống AMPS thành hệ thống AMPS băng hẹp N- AMPS (Narrowband AMPS). Với một số thay đổi về băng tần, hệ thống N-AMPS có thể phục vụ nhiều thuê bao hơn mà không cần thêm các cell mới. Vào thời điểm này ở Mỹ cũng đã đưa vào thử nghiệm hệ thống số đầu tiên là IS-54 nhưng không thành công. *) Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) sử dụng công nghệ số đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) ra đời. Các hệ thống này có ưu điểm là sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu, đảm bảo được an toàn thông tin, cho phép chuyển mạng quốc tế…Đến đầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở Châu Âu. Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) trở thành loại hệ thống 2G thứ 2 khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địa IS-95. Năm 1993 tại Nhật Bản, NTT đưa ra tiêu chuẩn di động số đầu tiên của nước này (JPD-Japanish Personal Digital Cellular System) và phát triển hệ thống thông tin di động số cá nhân (PDC-Personal Digital Cellular) với băng tần hoạt động là 900-1400MHz. Ở Mỹ tiếp tục phát triển hệ thống số IS54 thành phiên bản mới là IS-136 hay còn gọi là AMPS số (D-AMPS ) và đã đạt được nhiều thành công. Năm 1985 công nghệ CDMA ra đời, đó là công nghệ đa thâm nhập theo mã sử dụng kỹ thuật trải phổ được nghiên cứu và triển khai bởi hãng Qualcomm Communication. Công nghệ này trước đó được sử dụng chủ yếu trong quân sự và đến nay đã được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới. *) Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G và 3G Thông tin di dộng ngày nay đang tiến tới một hệ thống thế hệ thứ 3, hứa hẹn dung lượng thoại lớn hơn, kết nối dữ liệu di động tốc độ cao hơn và sử dụng các ứng dụng đa phương tiện. Các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ 3 (3G) còn cung cấp dịch vụ thoại với chất lượng tương đương, các hệ thống hữu tuyến và dịch vụ truyền số liệu có tốc độ từ 144Kbps đến 2Mbps. Các tiêu chuẩn về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được ITU-R tiến hành chuẩn hoá cho IMT-2000 (Viễn thông di động quốc tế 2000). *) Hệ thống thông tin di động 3,5G và 4G Hệ thống 3,5G là sự nâng cấp của 3G sử dụng các công nghệ như công nghệ truy cập gói dữ liệu tốc độ cao HSPDA (High Speed Downlink Packet Acces), song công phân chia theo thời gian TDD( Time Division Duplex) và các công nghệ đặc quyền như Flash OFDM. Tại Nhật Bản, NTT Docomo đã có kế hoạch khai trương các dịch vụ HSDPA vào 2005. 1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Mạng điện thoại đi động khác biệt lớn so với mạng cố định ở chỗ mạng cố định thì thiết bị đầu cuối nối kết cố định với mạng. Do đó tổng đài mạng cố định liên tục giám sát được trạng thái nhấc-đặt (tổ hợp máy điện thoại) để phát hiện cuộc gọi đến từ thuê bao, đồng thời thiết bị đầu cuối luôn luôn sẵn sàng tiếp nhận chúng. Nhưng ở mạng di động, vì số kênh vô tuyến quá ít so với số thuê bao MS, nên kênh vô tuyến chỉ được cấp phát theo kiểu động. Hơn nữa, việc gọi được và thiết lập cuộc gọi đối với MS cũng khó hơn. Khi chưa có cuộc gọi, MS phải lắng nghe thông báo tìm gọi nó nhờ một kênh đặc biệt, kênh này gọi là kênh quảng bá. Mạng phải xác định được MS bị gọi đang ở vùng định vị nào. Mạng thông tin di động phải đảm bảo thông tin mọi lúc, mọi nơi. Muốn vậy mạng thông tin di động phải đảm bảo một số đặc tính cơ bản chung sau đây: - Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt được dung lượng cao. - Đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu. Do môi trường truyền dẫn là môi trường truyền dẫn hở ( sóng điện từ) nên tín hiệu dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và phađing. - Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất. - Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sang vùng phủ khác. - Cho phép phát triển các dịch vụ mới nhất là các dịch vụ phi thoại. - Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế (International Roaming). - Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tốn ít năng lượng. Tóm lại đặc thù cơ bản của thông tin di động là phục vụ đa truy cập gắn liền với thiết kế mạng tế bào (do dải tần dịch vụ bị hạn chế). Các hệ quả tất yếu kéo theo hoặc liên quan tới vấn đề này là : Chuyển giao, chống nhiễu, quản lý di động, quản lý tài nguyên (sóng điện từ), bảo mật…. Những điều này khác rất nhiều với một mạng thông tin cố định và luôn là những đòi hỏi cao cho sự ra đời của các công nghệ mới. 1.3. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Một hệ thống GSM có thể được chia thành nhiều phân hệ sau đây: - Phân hệ chuyển mạch (SS: Switching Subsystem) - Phân hệ trạm gốc (BSS: Base Station Subsystem) - Phân hệ khai thác (OSS: Operation Subsystem) - Trạm di động (MS: Mobile Station) ………. Truyền báo hiệu Truyền lưu lượng Hình 1.3 Cấu trúc mạng GSM Trong đó: NSS Hệ thống chuyển mạch AUC Trung tâm nhận thực VLR Bộ ghi định vị tạm trú HLR Bộ ghi định vị thường trú EIR Bộ ghi nhận dạng thiết bị MSC Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động BSS Hệ thống trạm gốc BTS Đài vô tuyến BSC Đài điều khiển trạm gốc MS Máy di động OSS Hệ thống khai thác và giám sát OMC 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 1.3.1 Phân hệ chuyển mạch SS(NSS) Hệ thống con 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 mạng GSM với nhau và với mạng khác. Hệ thống con chuyển mạch SS bao gồm các khối chức năng sau: - Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC: Mobile Services Switching Center). - Bộ ghi định vị tạm trú (VLR: Visitor Location Register) - Bộ ghi định vị thường trú (HLR: Home Location Register) - Trung tâm nhận thực (AUC: Authentication Center) - Bộ nhận dạng thiết bị (EIR: Equipment Identity Register) - Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng (GMSC: Gateway Mobile Services Switching Center) 1.3.1.1 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng MSC Ở NSS, chức năng 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 GSM. Một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS, mặt khác nó giao tiếp với mạng ngoài. MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng. Việc giao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác IWF: Interworking Function). SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM. MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc . 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 (Interworking Function) bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn. Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN (Packet Switched Public Data Network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói), hay CSPDN (Circuit Switched Public Data Network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh), 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 thì giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở. 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 đến 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 hêt các tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này. Tổng đài cổng có một giao diện với các mạng bên ngoài với mạng GSM. Về phương diện kinh tế, không phải bao giờ tổng đài cổng cũng đứng riêng mà thường được kết hợp với MSC. 1.3.1.2. Bộ ghi định vị thường trú HLR Là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất của mạng GSM, lưu trữ các số liệu và địa chỉ nhận dạng cũng như các thông số nhận thực của thuê bao trong mạng. Các thông tin lưu trữ trong HLR gồm: nhận dạng thuê bao IMSI, MSISDN, VLR hiện thời, trạng thái thuê bao, khoá nhận thực và chức năng nhận thực, số lưu động trạm di động MSRN. HLR chứa những cơ sở dữ liệu bậc cao của tất cả các thuê bao trong GSM. Những dữ liệu này được truy nhập từ xa bởi các MSC và VLR của mạng. 1.3.1.3. Bộ ghi định vị tạm trú VLR VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm 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 xác hơn HLR. Các chức năng VLR thường được liên kết với các chức năng MSC. 1.3.1.4. Trung tâm nhận thực AUC AUC quản lý các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhân thuê bao dựa trên một khoá nhận dạng bí mật Ki để đảm bảo toàn số liệu cho các thuê bao được phép. Khoá này cũng được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ ở MS. Bộ nhớ này có dang Simcard có thể rút ra và cắm lại được. AUC có thể được đặt trong HLR hoặc MSC hoặc độc lập với cả hai. Khi đăng ký thuê bao, khoá nhận thực Ki được ghi nhớ vào Simcard của thuê bao cùng với IMSI của nó. Đồng thời khoá nhận thực Ki cũng được lưu giữ ở trung tâm nhận thực AUC để tạo ra bộ ba thông số cần thiết cho quá trình nhận thực và mật mã hoá: