Đề tài Mạng thông tin di động GSM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Nội dung: Mạng thông tin di động GSM Giáo viên hướng dẫn: TS. Phạm Công Hùng Sinh viên thực hiện : Lớp : HÀ NỘI, 1- 2005   MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU 3 CHƯƠNG 1. CẤU HÌNH MẠNG GSM 4 1.1 Giới thiệu chung về mạng thông tin di động GSM 4 1.1.1. Vài nét lịch sử về mạng GSM 4 1.1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM 5 1.2. Cấu trúc hệ thống GSM 6 1.2.1. Phân hệ chuyển mạch SS 6 1.2.1.1. Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng MSC 7 1.2.1.2. Bộ ghi định vị thường trú HLR 7 1.2.1.3. Bộ ghi định vị tạm trú VLR 7 1.2.1.4. Trung tâm nhận thực AUC 8 1.2.1.5. Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR 8 1.2.2. Phân hệ trạm gốc BSS 8 1.2.2.1. Trạm thu phát gốc BTS 8 1.2.2.2. Bộ điều khiển trạm gốc BSC 9 1.2.2.3. Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU 9 1.2.3. Trạm di động MS 9 1.2.4. Phân hệ khai thác OSS 10 CHƯƠNG 2. VÔ TUYẾN SỐ – GIAO TIẾP VÔ TUYẾN SỐ 12 2.1. Vô tuyến số tổng quát 12 2.1.1. Suy hao đường truyền và pha đinh 12 2.1.2. Phân tán thời gian 13 2.1.3. Các phương pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do phađinh 15 2.1.4. Phương pháp chống phân tán thời gian 16 2.1.5. Truyền dẫn số và tín hiệu tương tự 17 2.2. Nguyên tắc khi chia kênh theo khe thời gian 19 2.2.1. Khái niệm kênh 19 2.2.1.1. Kênh vật lý 19 2.2.1.2 Kênh logic 20 2.2.2. Cụm 20 2.2.3. Chia kênh logic theo khe thời gian 22 CHƯƠNG 3. NGUYÊN TẮC SỬ DỤNG TẦN SỐ - CÁC TRƯỜNG HỢP VÀ THỦ TỤC THÔNG TIN 24 3.1. Nguyên tắc sử dụng tần số theo chia ô 24 3.1.1. Sử dụng tần số 24 3.1.2. Sự tái sử dụng tần số trên mạng 24 3.1.2.1. Cơ sở lí thuyết 24 3.1.2.2. Mẫu sử dụng lại tần số 24 3.2. Các trường hợp và thủ tục thông tin 27 3.2.1. Tổng quan 27 3.2.2. Lưu động và cập nhật vị trí: 27 3.2.3. Thủ tục nhập mạng đăng ký lần đầu 28 3.2.4. Thủ tục rời mạng 29 3.2.5. Tìm gọi 29 3.2.6. Gọi từ MS 29 3.2.7. Gọi đến thuê bao MS 29 3.2.8. Cuộc gọi đang tiến hành, định vị 30 CHƯƠNG 4. CÁC DỊCH VỤ CỦA GSM 32 4.1. Dịch vụ thoại 32 4.2. Dịch vụ số liệu 32 4.3. Dịch vụ nhắn tin ngắn SMS 32 4.4. Dịch vụ Wap 32 4.5. Các dịch vụ mới của GSM 2,5G 32 KẾT LUẬN 34 PHỤ LỤC: CÁC TỪ VIẾT TẮT 35 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 5 năm học tập chuyên ngành Điện Tử – Viễn Thông tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và hơn một tháng thực tập tại phòng kỹ thuật công ty thông tin di động VMS, tôi đã hoàn thành bản báo cáo thực tập tốt nghiệp này. Để hoàn thành bản báo cáo này tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Phạm Công Hùng đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của trưởng phòng Đỗ Vũ Anh cùng các cán bộ phòng kỹ thuật trong suốt quá trình thực tập . CHƯƠNG 1. CẤU HÌNH MẠNG GSM 1.1 Giới thiệu chung về mạng thông tin di động GSM 1.1.1. Vài nét lịch sử về mạng GSM Hệ thống thông tin di động từ lâu đã là một ước mơ lớn của con người, và ước mơ này đã trở thành hiện thực ngay khi kỹ thuật cho phép. Sự thực hiện đầu tiên bằng sóng vô tuyến được thực hiện từ cuối thế kỷ 19. Tuy nhiên, việc đưa hệ thống thông tin di động vào phục vụ chỉ được thực hiện sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, khi mà công nghệ điện tử cho phép. Đó là một dịch vụ thông tin đặc biệt, nó cho phép nối thông các cuộc gọi không cần dây dẫn. Ngay đó ngay cả khi di chuyển, các thuê bao di động vẫn trao đổi thông tin được với nhau. Do sự phát triển ngày càng cao của công nghệ điện tử và thông tin, mạng thông tin ngày càng phổ biến, giá cả ngày một hạ và độ tin cậy ngày càng tăng lên. Quá trình phát triển của mạng thông tin đã trải qua các giai đoạn sau: - Giai đoạn thứ nhất: Sau 1946, khả năng phục vụ nhỏ, chất lượng không cao, giá cả dắt. - Giai đoạn thứ hai: Từ 1970 – 1979, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử tổ hợp cỡ lớn và các bộ vi xử lý, ta có thể thực hiện được một hệ thống phức tạp hơn. Bởi vì vùng phủ sóng của anten phát của các máy di động bị hạn chế nên hệ thống được chia thành một vài trạm nhận cho một trạm phát. - Giai đoạn thứ ba: Từ1979 -1990, là mạng tổ ong tương tự. Các trạm thu phát được đặt theo các ô tổ ong. Mạng này cho phép sử dụng lại tần số và cho phép chuyển giao giữa các ô trong cuộc gọi. Các mạng điển hình là: + AMPS (Advanced Mobile Phone Service): được đưa vào hoạt động tại Mỹ năm 1979. +NMT ( Nordic Mobile Telephone): là hệ thống của các nước Bắc Âu và được đưa vào sử dụng vào tháng 12/1981. +TACS ( Total Access Communication System): được đưa vào phục vụ tại Vương quốc Anh năm 1985. Tất cả các mạng trên dựa trên mạng truyền điện thoại tương tự bằng điều chế tần số. Chúng sử dụng tần số 450 hoặc 900 Mhz. Vùng phủ sóng của nó chỉ ở mức quốc gia và phục vụ được vài trăm thuê bao. Hệ thống lớn nhất ở Anh là TACS đạt hơn một triệu thuê bao vào năm 1990. - Giai đoạn thứ tư: Từ đầu những năm 1980, sau khi các hệ thống NMT đã hoạt động thành công thì nó cũng biểu hiện một số hạn chế. Một là do yêu cầu cho dịch vụ di động quá lớn vượt qua con số mong đợi của các nhà thiết kế hệ thống nên hệ thống này không đáp ứng được. Hai là các hệ thống khác nhau đang hoạt động không thể phục vụ cho tất cả các thuê bao ở châu Âu, nghĩa là thiết bị của mạng này không thể truy nhập vào mạng khác. Ba là nếu thiết kế một mạng lớn phục vụ cho cả châu Âu thì không một nước nào có thể đáp ứng được vì vốn đầu tư quá lớn. Tất cả những hạn chế trên dẫn đến một nhu cầu là phải thiết kế một hệ thống loại mới được làm theo kiểu chung để có thể dùng cho nhiều nước. Năm 1988, viện tiêu chuẩn viễn thông châu âu – ETSI (Europe Telecommunication Standard Institute) đã thành lập nhóm đặc trách di động – GSM (Groupe Special Mobile). GSM còn có nghĩa là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communication). GSM là tiêu chuẩn điện thoại di động số toàn châu Âu sử dụng dải tần số 900Mhz. Năm 1990, Vương quốc Anh đưa ra hệ thống DCS (Digital Cellular System). DCS dựa trên hệ thống GSM với việc sử dụng tần số 1800Mhz. Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ viễn thông mới, các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba. Ở thế hệ thứ ba này, các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ lên đến 2Mbit/s. Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được hai công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả. Trong năm 2004 này công ty Vietel cũng sẽ cung cấp dịch vụ này. 1.1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do của các thuê bao trong châu Âu, có nghĩa là một thuê bao có thể thâm nhập sang mạng của nước khác khi di chuyển qua biên giới. Trạm di động GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi thông tin tại bất cứ nơi nào trong vùng phủ sóng quốc tế. Về khả năng phục vụ : - Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể dùng được trong tất cả các nước có mạng. - Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan tới mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). - Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tầu viễn dương như một mạng mở rộng cho các dịch vụ di động mặt đất. Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật: - Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệ thống di động tương tự trước đó trong điều kiện vận hành thực tế. - Hệ thống có khả năng mật mã hoá thông tin người dùng mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống cũng như không ảnh hưởng đến các thuê bao khác không dùng đến khả năng này. Về sử dụng tần số: - Hệ thống cho phép mức độ cao về hiệu quả của dải tần mà có thể phục vụ ở vùng thành thị và nông thôn cũng như các dịch vụ mới phát triển. - Dải tần số hoạt động là 890-915 và 935-960 Mhz. - Hệ thống GSM 900Mhz phải có thể cùng tồn tại với các hệ thống dùng 900Mhz trước đây. Về mạng: - Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT. - Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT. - Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi được dùng trong các mạng khác nhau. - Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu được tiêu chuẩn hoá quốc tế. - Chức năng bảo vệ thông tin báo hiệu và thông tin điều khiển mạng phải được cung cấp trong hệ thống. 1.2. Cấu trúc hệ thống GSM 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)
 1.2.1. Phân hệ chuyển mạch SS 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) 1.2.1.1. Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng MSC Ở SS, 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. 1.2.1.2. 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. 1.2.1.3. 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. 1.2.1.4. 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: