Bài giảng Mạng không dây và di động - Chương 3: Các hệ thống điện thoại di động

với mạng điện thoại cố định BSS và MSC giao tiếp qua giao diện A Kiến trúc của mạng GSM Mobile Station (MS) MS bao gồm Terminal (TE) Subscriber Identity Mobile (SIM) Thẻ thông minh (Smart card) Cho phép sự di động cá nhân Chứa số điện thoại của người sử dụng Chứa International Mobile Subscriber Identity (IMSI), khoá bí mật cho xác thực và một số thông tin khác Mobile Station (MS) Thiết bị di động được xác định duy nhất bởi International Mobile Equipment Identity (IMEI) IMEI 15 con số Type Approval Code (TAC): qua bước kiểm thử chế tạo đúng Final Assembly Code (FAC): nơi sản xuất hoặc lắp ráp cuối cùng Mobile Station (MS) IMSI Xác định duy nhất thuê bao Mobile Country Code (MCC): mã nước Mobile Network Code (MNC): mã nhà khai thác dịch vụ Mobile Subscriber Identification Code (MSIC): xác định duy nhất khách hàng của nhà khai thác Base Station Subsystem (BSS) BSS bao gồm phần cứng và phần mềm để quản lý đường truyền radio với các MS Bao gồm Base Station (BS) và Base Station Controller (BSC) BS Máy thu phát vô tuyến tạo ra một tế bào và chạy các giao thức liên kết radio với MS Lưu lượng được gửi đến BSC BSC Tập hợp các cuộc gọi từ BS và chuyển cho MSC Xử lý việc thiết lập các kênh radio, chuyển giao, nhảy sóng MSC định tuyến các mạch đến BSC, BSC có trách nhiệm kết nối và chuyển các cuộc gọi đến các BS BSC có chức năng phân đoạn mạng nhằm quản trị lưu lượng Network Subsystem (NS) Thành phần trung tâm của NS là Mobile Switching Center (MSC) MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch cuộc gọi và các chức năng như: Đăng ký Xác thực Cập nhật vị trí Chuyển giao Định tuyến cuộc gọi cho các thuê bao chuyển mạng Giao tiếp với mạng cố định qua Gateway MSC (GMSC) Sử dụng giao thức tín hiệu SS7 Network Subsystem (NS) Thông tin về các MS được lưu trong hai CSDL, Home Location Register (HLR) và Visitor Location Register (VLR) HLR và VLR cùng với MSC cung cấp khả năng định tuyến cuộc gọi và chuyển mạng trong GSM HLR lưu mọi thông tin về các thuê bao và vị trí hiện tại của MS hay VLR hiện tại của MS VLR lưu một số thông tin có lựa chọn về các MS hiện đang trong vùng quản lý của VLR VLR có thể được đặt cùng với MSC để giảm trao đổi tín hiệu Network Subsystem (NS) Equipment Identity Register (EIR) CSDL về các thiết bị di động định danh bằng IMEI Đánh dấu IMEI là hợp lệ hay không hợp lệ để cung cấp dịch vụ Các khả năng đánh dấu: Danh sách trắng (White listed): được kết nối với mạng Danh sách xám (Grey listed): cần được theo dõi Danh sách đen (Black listed): bị cấm sử dụng mạng Authentication Center (AuC) Lưu bản sao của khoá bí mật đã được lưu trong SIM của thuê bao Xử lý các thủ tục xác thực với MS Mã hoá tiếng nói Nhóm GSM nghiên cứu các thuật toán mã hoá tiếng nói dựa trên chất lượng thoại và độ phức tạp (giá và độ trễ xử lý, tiêu thụ năng lượng) Sử dụng Regular Pulse Excited-Linear Predictive Coder (RPE-LPC) có tốc độ 13 kbps Có codec với tốc độ giảm một nửa. Tuy nhiên chất lượng cuộc gọi giảm đi không nhiều Các đặc điểm của truyền sóng radio GSM được cấp phát phổ trong khoảng 890-915 cho các kênh chiều đi lên (từ MS đến BS) và 935-960 cho các kênh chiều đi xuống (từ BS đến MS) Các tần số sử dụng cách nhau 200 KHz Đa truy nhập và cấu trúc của kênh Băng thông được chia sẻ cho mọi người dùng sử dụng tổ hợp của FDMA và TDMA Băng thông 25 MHz được chia thành 124 tần số cách nhau 200 KHz Một tần số hoặc nhiều hơn được cấp cho một BS Mỗi tần số hỗ trợ 8 kết nối sử dụng TDMA Đơn vị thời gian trong kiểu TDMA được gọi là kỳ bùng phát hay một khe thời gian, diễn ra trong khoảng thời gian 15/26 ms (xấp xỉ 0.577 ms) 8 kỳ bùng nổ tạo thành một khuông TDMA hay một kênh logic Một kỳ bùng nổ hay một khe thời gian là một kênh vật lý 8 khe đậm màu (hình sau) thuộc vào cùng một kết nối Đa truy nhập và cấu trúc của kênh Đa truy nhập và cấu trúc của kênh Các kênh có thể được chia thành Kênh tận hưởng (dedicated channels): cấp phát cho một MS Kênh chung (common channels): các MS dùng chung trong chế độ nhàn rỗi Kênh lưu lượng (Traffic Channels - TCH) Được dùng để mang lưu lượng tiếng nói và dữ liệu Sử dụng cấu trúc đa khuông 26 khuông Một đa khuông diễn ra trong 120 ms Trong 26 khuông 24 khuông được dùng cho lưu lượng 1 khuông dùng cho kênh Slow Associated Control Channel (SACCH) 1 khuông không sử dụng 2 khuông trên được gọi là các khuông bị lấy mất TCH cho kênh chiều lên và chiều xuống cách nhau 3 kỳ bùng phát hay 3 khe thời gian TCH Kênh chung (Common channels) hay kênh điều khiển (Control channels) MS truy nhập kênh chung cả khi trong chế độ nhàn rỗi và tận hưởng Trong chế độ nhàn rỗi: trao đổi thông tin tín hiệu để chuyển sang chế độ tận hưởng Trong chế độ tận hưởng: kiểm tra các BS xung quanh về thông tin chuyển giao và các thông tin khác Sử dụng cấu trúc đa khuông 51 khuông Kênh chung (Common Channels) Kênh chung (Common Channels) Gồm các loại kênh Broadcast Control Channel (BCCH): truyền quảng bá liên tục chiều xuống các thông tin về định danh của BS, tần số … Frequency Correction Channel (FCCH) và Synchronization Channel (SCH): truyền quảng bá chiều xuống, đồng bộ MS với cấu trúc khe của cell qua xác định kỳ bùng nổ và đánh số khe Random Access Channel (RACH): chiều lên, kênh Aloha phân khe dùng để yêu cầu kênh truy nhập Paging Channel (PCH): quảng bá chiều xuống, thông báo cho MS về một cuộc gọi đến Access Grant Channel (AGCH): dùng để cấp cho MS một SDCCH sau khi nhận được yêu cầu qua RACH Slow Associated Control Channel (SACCH): chiều xuống và lên, giữa các kênh lưu lượng, dành cho báo tín hiệu tốc độ thấp, không khẩn cấp Fast Associated Control Channel (FACCH): chiều xuống và lên, kênh báo tín hiệu tốc độ cao, sử dụng cho thiết lập cuộc goi, xác thực người dùng, các lệnh chuyển giao Kiến trúc của kỳ bùng phát Có 5 kiểu bùng phát trong GSM Bùng phát thường có chiều dài 156.25 bit, truyền trong 0.577 ms, cho tốc độ gộp 270.833 kbps, tốc độ cho 1 người dùng 33.9 kbps, tốc độ thực tế 9.6 kbps do FEC và mật mã hoá Các kiểu bùng phát Bùng phát thường F, Frequency control burst, dùng trên kênh FCCH S, Synchronous control burst, dùng trên kênh SCH Access control burst, dùng trên kênh RACH Dummy burst Bùng phát thường Truyền dữ liệu và tiếng nói Gồm các phần: Phần lưu lượng: mang theo lưu lượng tiếng nói hoặc dữ liệu, thông tin báo tín hiệu cho xử lý cuộc gọi (thiết lập, duy trì, kết thúc cuộc gọi) Phần học: dành cho MS và BS “học” kênh Phần các bit bị lấy mất: dùng để chỉ ra thông tin mang theo là dữ liệu hay thông tin điều khiển, dùng khi chuyển giao, sử dụng FACCH, làm giảm chất lượng thoại để truyền tải thông tin điều khiển Phần đầu và đuôi: tăng hoặc giảm dần mức điện năng Phần gác: tránh lỡ khe thời gian do thời gian trễ lan truyền, hay do khoảng cách xa giữa MS và BS Các bùng phát khác F hay Frequency control burst Đồng bộ hoá MS với tần số của hệ thống S hay Synchronous control burst Đồng bộ hoá về thời gian giữa MS và BS Chứa thông tin về vị trí và định danh của các khe trong khuông TDMA Chứa các thông tin khác như định danh của BS, mã số quốc gia … Access control burst Thông tin liên quan đến khả năng thành công của yêu cầu truy nhập kênh ngẫu nhiên Dummy burst Lấp các khe trống Mã hoá kênh GSM sử dụng mã hoá cuộn (convolutional encoding) và ken khối (block interleaving) để tránh cho tiếng nói bị lỗi bit khi truyền 260 bit sau mỗi 20 ms Các bit chia làm 3 lớp Lớp Ia: 50 bit, nhậy cảm với lỗi bit Lớp Ib: 132 bit, nhậy cảm vừa với lỗi bit Lớp II: 78 bit, ít nhậy cảm nhất với lỗi bit Sau khi mã hoá: 456 bit sau mỗi 20 ms, tốc độ 22.8 kbps 8 khối 57 bit truyền 8 khe, mỗi bùng phát mang 2 mẫu khác nhau (ken khối) Các hoạt động của mạng Khả năng chuyển mạng yêu cầu các hoạt động như đăng ký, xác thực, định tuyến, cập nhật vị trí Việc chia không gian thành các cell đòi hỏi cơ chế chuyển giao Các chức năng của Network Subsystem, chủ yếu sử dụng Mobile Application Part (MAP) dựa trên Signaling System No. 7 (SS7) Quản lý sự di động Nhóm các cell vào các vùng vị trí (location area) Khi MS đi vào một vùng vị trí khác, Location Update Identifier (LAI) được gửi đi, cập nhật lại HLR. HLR gửi thông tin về MS cho MSC/VLR mới và thông báo cho MSC/VLR cũ để kết thúc việc đăng ký của MS Thực hiện thủ tục cập nhật theo chu kỳ Thủ tục detach/attach (tháo gỡ/sát nhập) Chuyển giao Chuyển giao cuộc gọi giữa 2 cell thuộc hai MSC khác nhau Có thể được khởi đầu bởi MS hoặc MSC Do MSC: cân bằng tải do lưu lượng Do MS: quét BCCH của 16 cell, chọn 6 cell tốt nhất và chuyển thông tin cho BSC và MSC Thuật toán chuyển giao Minimum acceptable performance: tăng điện năng để cải thiện tín hiệu, chuyển giao khi chất lượng tín hiệu không tăng Power budget: duy trì chất lượng tín hiệu ở một mức xác định và không thay đổi mức độ điện năng, giảm vấn đề giao thoa, ranh giới, tiêu thụ năng lượng, nhưng phức tạp Quản lý điện năng 5 mức điện năng: 20, 8, 5, 2, 0.8 W BS và MS duy trì mức điện năng thấp nhất mà vẫn bảo đảm chất lượng tín hiệu (BER) có thể chấp nhận được MS đo BER và chuyển cho BS để quyết định thay đổi mức điện năng Khởi hoạt 1. MS chốt vào tần số mạnh nhất và tìm FCCH 2. MS tìm SCH và đồng bộ thời gian với BS 3. MS xác định BCCH và đọc các tham số hệ thống như LAC 4. MS sử dụng RACH để yêu cầu SDCCH. BS trao quyền truy nhập qua AGCH 5. MS tiến hành thủ tục cập nhật vị trí để thông báo cho mạng về vị trí mới. LAC cũ được lưu trong bộ nhớ 6. Thủ tục xác thực MS được thực hiện 7. HLR và VLR được cập nhật và MS có thể nhận cuộc gọi Thiết lập cuộc gọi đến MS 1. BS báo cho MS về cuộc gọi đến qua PCH 2. MS sử dụng RACH để yêu cầu SDCCH. BS chấp nhận yêu cầu qua AGCH 3. MS trả lời qua SDCCH 4. Thủ tục xác thực MS được tiến hành Thiết lập Temporary Mobile Station Identifier (TMSI) mà chỉ có tác dụng trong thời gian của cuộc gọi MS được cấp phát một TCH cho cuộc gọi Xác thực và bảo mật Xác thực Khoá bí mật được lưu tại SIM và AuC AuC sinh ra một số ngẫu nhiên và gửi cho MS MS dùng khoá để sinh ra signed response (SRES) Nếu các giá trị tính bởi MS và AuC giống nhau thì MS được xác thực Bảo mật, mật mã hoá lưu lượng Số ngẫu nhiên và khoá bí mật được dùng để mật mã hoá lưu lượng