Khóa luận Phân tích chuyển giao trong mạng gsm

Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Hữu Thành PHÂN TÍCH CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG GSM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện Tử - Viễn Thông Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Quốc Tuấn Cán bộ phản biện : PGS.TS Vương Đạo Vi HÀ NỘI - 2008 Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU.........................................................................................................................4 Chương 1.........................................................................................................................6 TỔNG QUAN MẠNG GSM.........................................................................................6 1.1 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC CỦA GSM.....................................................................6 1.1.1 Trạm di động MS (Mobile Station).................................................................6 1.1.2 Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identuty Module) .....................7 1.1.3 Trạm thu phát cơ sở BTS (Base Transceiver Station) ....................................7 1.1.4 Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station controller) ..................................8 1.1.5 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC........................................8 1.1.6 Bộ ghi định vị thường trú HLR.......................................................................8 1.1.7 Bộ ghi định vị tạm trú VLR ............................................................................8 1.1.8 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR .................................................................9 1.1.9 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC.............................................9 1.1.10 Điều khiển quản lý và bảo dưỡng OMC .......................................................9 1.1.11 Các giao diện trong mạng GSM....................................................................9 1.2 MÔ HÌNH MẠNG GSM .....................................................................................11 1.3 MẠNG TRUY CẬP GSM...................................................................................12 1.3.1 Các kênh vật lý..............................................................................................12 1.3.2 Các kênh logic...............................................................................................18 1.4 XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG GSM ................................................................22 1.4.1 Mã hoá tiếng nói............................................................................................22 1.4.2 Mã hoá kênh..................................................................................................23 1.4.3 Đan xen .........................................................................................................24 1.4.4 Mật mã hoá....................................................................................................25 1.4.5 Điều chế ........................................................................................................26 Chương 2.......................................................................................................................29 GIAO THỨC BÁO HIỆU MẠNG GSM ...................................................................29 2.1 GIAO THỨC BÁO HIỆU ...................................................................................29 2.1.1 Giao diện A ...................................................................................................30 2.1.2 Giao diện Abis...............................................................................................33 2.1.3 Giao diện Air/Um..........................................................................................42 2.2 THỦ TỤC TRONG MẠNG GSM ......................................................................55 2.2.1 Bật tắt máy ở trạm di động............................................................................55 2.2.2 Gán và tách IMSI ..........................................................................................56 2.2.3 Cập nhật vị trí................................................................................................56 a. Cập nhật vị trí trong BSS ...................................................................................56 b. Cập nhật vị trí trong NSS...................................................................................60 2.2.4 Bắt đầu cuộc gọi...........................................................................................61 a. Bắt đầu cuộc gọi trong BSS ...............................................................................61 b. Bắt đầu cuộc gọi trong NSS...............................................................................68 2.2.5 Cuộc gọi từ đầu cuối di động ........................................................................69 a. Đầu cuối di động gọi trong BSS.........................................................................69 b. Đầu cuối di động gọi trong NSS ........................................................................75 Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 3 Chương 3.......................................................................................................................77 CHUYỂN GIAO MẠNG GSM ..................................................................................77 3.1 CÁC LOẠI CHUYỂN GIAO..............................................................................78 3.1.1 Trong BTS.....................................................................................................78 3.1.2 Chuyển giao trong cùng BSC........................................................................78 3.1.3 Chuyển giao trong cùng MSC.......................................................................79 3.1.4 Chuyển giao giữa các MSC...........................................................................79 3.1.5 Nhận xét ........................................................................................................80 3.2 CÁC BỘ ĐỊNH THỜI .........................................................................................80 3.3 CHI TIẾT CHUYỂN GIAO ................................................................................83 3.3.1 Trường hợp thành công.................................................................................84 3.3.2 Trường hợp thất bại.......................................................................................87 3.3.3 Quay trở lại BSS củ.......................................................................................88 3.3.4 Giải phóng cuộc gọi ......................................................................................90 3.4 ỨNG DỤNG SDL ĐỂ PHÂN TÍCH CHUYỂN GIAO ......................................91 3.4.1 Giới thiệu về SDL .........................................................................................91 3.4.2 Phân tích các trường hợp chuyển giao ..........................................................92 3.5 THIẾT KẾ MÔ HÌNH .........................................................................................95 3.5.1 Thiết kế mô hình tổng quát ...........................................................................95 3.5.2 Các bản tin.....................................................................................................96 3.6 MÔ TẢ VỀ MÔ HÌNH CPN ...............................................................................99 3.6.1 Khía cạnh của mô hình................................................................................100 3.6.2 Các trang CPN.............................................................................................102 KẾT LUẬN ................................................................................................................114 CÁC THUẬT NGỮ ...................................................................................................115 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................117 Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 4 MỞ ĐẦU Ngày nay thông tin liên lạc đả trở thành một nhu cầu quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Ngoài các dịch vụ mà các điện thoại cố định có như: truyền thoại, nhắn tin, Fax, dữ liệu, …vv. Thông tin di động còn cung cấp các tính năng ưu việt của nó ở chất lượng dịch vụ, tính bảo mật thông tin, thiết bị nhỏ gọn, linh hoạt trong việc di chuyển, và các dịch vụ ngày càng đa dạng như truyền hình di động, truyền video chất lượng cao, kết nối mạng internet với việc phát triển hệ thống thông tin di động lên hệ thống thông tin di động băng rộng (3G) ...vv. Cùng với sự phát triển của ngành thông tin liên lạc thì ngành công nghiệp viễn thông đả phát triển mạnh mẻ và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Để đáp ứng nhu cầu của khách hành các nhà cung cấp dịch vụ đả liên tục nâng cấp hệ thống mạng, chất lượng đường truyền, và đa dạng các dịch vụ, đồng thời giảm cước dịch vụ, những điều này đả mang lại cho họ một số lượng thuê bao khổng lồ và tăng nhanh. Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ như viettel, vinaphone, mobilephone đang có nguy cơ cháy số. Một ví dụ: Viettel có 5.555 trạm BTS. Từ đầu năm 2007 đến nay, Viettel đã xây dựng thêm hơn 2.500 trạm phát sóng và đến cuối năm 2007 số trạm BTS của Viettel sẽ là 7.000 trạm. Một công nghệ quan trọng nhất và được sử dụng phổ biến nhất không chỉ ở Việt Nam mà còn các nước trên thế giới là công nghệ GSM (Global System for Mobile communication-Hệ thống thông tin di động toàn cầu). Ở Việt Nam hiện nay những nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn như: Vinaphone, MobiFone, Viettel đều sử dụng công nghệ GSM. Được phát triển từ năm 1982 với kỷ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) một giải pháp tăng dung lượng hệ thống và mã hoá tín hiệu đảm bảo tính an toàn dữ liệu đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ để đáp ứng nhu cầu của hàng triệu khách hàng. Hệ thống GSM sử dụng SIMCARD có kích thước nhỏ gọn để cắm vào máy di động mà chỉ có người này mới có thể sử dụng nó tại một thời điểm như một thiết bị nhận dạng an toàn. GMS là công nghệ truyền sóng kỹ thuật số, cho phép một số người dùng truy nhập vào cùng một kênh tần số mà không bị kẹt bằng cách định vị những khe thời gian duy nhất cho mỗi người dùng trong mỗi kênh. Song song cùng tồn tại và phát triển với công nghệ GSM còn có các công nghệ khác như CDMA (công nghệ đa truy cập theo mã) cũng là một công nghệ tiên tiến và là đối thủ của GSM trong lính vực công nghệ truyền thông di động, hiện ở Việt Nam công nghệ này đang được các nhà khai thác dịch vụ như: S-Fone, Hà Nội Telecom, ETC. Công nghệ GSM đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA. Đây cũng chính là lý do CDMA chưa được phát triển rộng rãi tại Việt Nam. Một chức năng để bảo đảm chất lượng truy cập của một cuộc gọi khi con người sử dụng điện thoại di động di chuyển là chuyển giao cuộc gọi. Chuyển giao được định nghĩa là chuyển một cuộc gọi trong suốt hiện thời từ một kênh tần số này tới một kênh tần số khác trong khi người sử dụng điện thoại di động di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Đây là một chức năng quan trọng nhất và thể hiện được đặc tính khác biệt giữa mạng di động và mạng điện thoại cố định vì thế nghiên cứu thủ tục chuyển giao để xây Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 5 dựng một mô hình chuyển giao trong thực tế để làm cho chức năng này càng tối ưu và hiệu quả là cần thiết. Vì vâỵ “Phân tích chi tiết giao thức chuyển giao và xây dựng mô hình chuyển giao trong mạng GSM” là mục đích chính của luận văn này. Luận văn này bao gồm: • Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng GSM. Mô hình kiến trúc, mô hình mạng và mạng truy cập GSM • Chương 2: Giao thức báo hiệu điều khiển cuộc gọi trong mạng GSM. Thủ tục bật tắt máy di động, việc cập nhật vị trí và các thủ tục điều khiển việc truy cập vào để tiến hành một cuộc gọi. • Chương 3: Chuyển giao trong mạng GSM. Giới thiệu về các loại chuyển giao có thể xảy ra trong mạng. Các giao diện liên quan đến chuyển giao, thủ tục chuyển giao bao gồm các bản tin có liên quan. Phân tích chuyển giao dựa trên ngôn ngữ SDL, dựa trên ngôn ngữ SDL để thiết kế mô hình chuyển giao sử dụng CPN. Luận văn này sẻ tâp trung vào xây dựng mô hình chuyển giao trong mạng GSM. Chúng ta sẻ đi phân tích các giao diện có liên quan tới quá trình chuyển giao và sử dụng một ngôn ngữ thường dùng để phân tích các giao thức trong mạng viễn thông là SDL để đi sâu phân tích chi tiết các quá trình thủ tục để chuyển giao một cuộc gọi. Sau đó là việc xây dựng mô hình CPN của các quá trình chuyển giao trong cùng một MSC. Cuối cùng không thể thiếu là việc đánh giá mô tính hiệu quả của mô hình, những công việc đả làm được, những vấn đề còn thiếu sót và hướng phát triển trong tương lai. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Quốc Tuấn, người đả nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo, cung cấp cho em nhiều tài liệu bổ ích giúp em cũng cố thêm kiến thức và đi tới hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đả dạy dổ cho em nhiều kiến thức cơ bản bổ ích cũng như cho em các kiến thức chuyên môn trong suốt 4 năm học tại trường Đại Học Công Nghệ, cảm ơn các thầy cô giáo đả tạo điều kiện thuận lợi và giúp em hoàn thành khoá luận này. Cuối cùng xin chân thành cảm ơn các bạn học đả nhiệt tình giúp đở tôi trong 4 năm học và giúp tôi hoàn thành khoá luận này. Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 6 Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG GSM Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới ra đời đầu tiên ở châu Âu và có tên là GSM. Ban đầu hệ thống này được gọi là “nhóm đặc trách di động” (Group Special Mobile) theo tên gọi của một nhóm được CEPT cử ra nghiên cứu tiêu chuẩn. Sau đó để tiện cho việc thương mại hoá GSM được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu “Global System for Mobile communication”. 1.1 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC CỦA GSM Hệ thống GSM bao gồm 3 hệ thống cơ bản: hệ thống chuyển mạch SS, hệ thống trạm gốc BSS và trạm di động MS. Mổi hệ thống này chứa một số chức năng khác nhau như: chuyển mạch, quản lý nhận dạng thiết bị, tính cước .vv... tạo nên một hệ thống mạng di động liên kết. Ngoài ra còn có tổng đài cổng GMSC. GMSC làm việc như một tổng đài trung kế để giao diện giữa GSM và các mạng khác. Hình 1: Sơ đồ kiến trúc logic của mạng GSM 1.1.1 Trạm di động MS (Mobile Station) MS là các thuê bao, nó là các thiết bị mà người dùng sử dụng nó để thông tin với nhau. MS có thể là các thiết bị cầm tay nhưđiện thoại di động, máy tính cá nhân, máy Fax ...) MS cung cấp các giao diện với người dùng giúp cho việc khai thác các dịch vụ trong mạng. Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 7 Các chức năng chính của MS: • Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên qua đến mạng GSM, FAX ... • Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. • Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di động. 1.1.2 Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identuty Module) Hệ thống GSM sử dụng một khoá nhận dạng thuê bao được cất trong một bộ nhớ nhỏ gọn gọi là SIM-CARD. Thiết bị này được cắm vào máy di động để thông tin trực tiếp vớí VLR và gián tiếp với HLR. 1.1.3 Trạm thu phát cơ sở BTS (Base Transceiver Station) Trạm thu phát cơ sở bao gồm các bộ thu phát và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. BTS kết nối với trạm di động thông qua giao diện Abis. BTS như một cái Modem vô tuyến phức tạp mà trong nó có một bộ phận quan trọng là bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU. TRAU thực hiện việc mã hoá và giãi mã tiếng đặc thù cho hệ thống di động, việc thích ứng tốc độ cho việc truyền dữ liệu. TRAU là một bộ phận của BTS nhưng trên thực tế nó có thể đặt cách xa BTS và có thể đặt ở giữa BSC và MSC. Hình 1.1: Kiến trúc logic của BSS Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 8 1.1.4 Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station controller) BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS. Các lênh này chủ yếu là các lênhj ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. BSC nối với BTS thông qua giao diện vô tuyến còn nối với MSC thông qua giao diện A. Vai trò của nó chủ yếu là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao. Một BTS trung bình có thể quản lý được vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của BTS này. BSC và BTS cũng có thể kết hợp trong một trạm gốc. 1.1.5 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC MSC là trung tâm chuyển mạch chính của mạng GSM. Nhiệm vụ điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các người sử dụng mạng thông tin di động một mặt giao diện với BSC, mặt khác giao diện với mạng ngoài thông qua GMSC. Để thực hiện việc kết nối MSC với mạng ngoài cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn. IWF là một thiết bị thích ứng giao thức và truyền dẫn sẻ làm việc đó. Hình 1.2: Kiến trúc logic của NSS 1.1.6 Bộ ghi định vị thường trú HLR HLR là thiết bị lưu cơ sở dữ liệu của mạng, các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông. HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao, nhưng không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao. HLR thường là một máy tính không có khả năng chuyển mạch mà chỉ có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC. 1.1.7 Bộ ghi định vị tạm trú VLR VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng. Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu tạm thời số liệu của thuê bao dang nằm trong vùng phục vụ của Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 9 MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí hiện thời của thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Nó giống như chức năng của bộ nhớ Catche. 1.1.8 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR EIR có chức năng quản lý thiết bị di động, là nơi lưu giữ tất cả dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối với MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị, một thiết bị không được phép sẻ bị cấm. 1.1.9 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC AUC quản lý việc hoạt động đăng ký thuê bao như nhập hay xoá thêu bao ra khỏi mạng. Nó còn có một nhiệm vụ quan trọng khác nữa là tính cước cuộc gọi. Cước phí phải được tính và gữi tới thuê bao. AUC quản lý thuê bao thông qua một khoá nhận dạng bí mật duy nhất được lưu trong HLR, AUC cũng được giữ vĩnh cữu trong bộ nhớ SIM-CARD. 1.1.10 Điều khiển quản lý và bảo dưỡng OMC OMC cho phép các nhà khai thác mạng theo dõi và kiểm tra các hành vi trong mạng như: tải của hệ thống, số lượng chuyển giao giữa các cell …vv. Nhờ vậy mà họ có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xữ lý sự cố. Khai thác và bão dưỡng cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những sự cố xuất hiện, nâng cấp mạng về dung lượng tăng vùng phủ sóng, định vị sữa chữa các sự cố hõng hóc …vv. Việc kiểm tra có thể nhờ một thiết bị có khả năng phát hiện một sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra nhờ tính toán. Việc thay đổi mạng có thể thực hiện “mềm” qua báo hiệu hay thực hiện cứng đòi hỏi can thiệp trực tiếp tại hiện trường. Việc khai thác có thể được thực hiện bằng máy tính đặt trong một trạm. 1.1.11 Các giao diện trong mạng GSM Hình 1.3: Các giao diện trong mạng GSM Phân tích chuyển giao trong mạng GSM 10 Giới thiệu các giao diện trong mạng GSM: ƒ BS đến MSC: Là giao diện A để đảm bảo báo hiệu và lưu lượng cả số liệu lẩn tiếng. Chi tiết về giao diện sẻ được đề cập trong chương 3 ƒ BST đến BSC: Là giao diện A-bis. Là một kết nối cố định bằng cáp thông th