Luận Văn Mạng thông tin di động GSM và công tác tối ưu hóa hệ thống tại mạng VMS MobiFone

Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Pháp: Groupe Spécial Mobile tiếng Anh: Global System for Mobile Communications; viết tắt GSM) 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 thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới.
GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới. Khả năng phú 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 ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ 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 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 kết hợp chuyển vùng với nhau do vậy mà người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới.
[h=2]1.1 Lịch sử phát triển mạng GSM[/h]Những năm đầu 1980, hệ thống viễn thông tế bào trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ đặc biệt là ở Châu Âu mà không được chuẩn hóa về các chỉ tiêu kỹ thuật. Điều này đã thúc giục Liên minh Châu Âu về Bưu chính viễn thông CEPT (Conference of European Posts and Telecommunications) thành lập nhóm đặc trách về di động GSM (Groupe Spécial Mobile) với nhiệm vụ phát triển một chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động để có thể sử dụng trên toàn Châu Âu.
Ngày 27 tháng 3 năm 1991, cuộc gọi đầu tiên sử dụng công nghệ GSM được thực hiện bởi mạng Radiolinja ở Phần Lan (mạng di động GSM đầu tiên trên thế giới).
Năm 1989, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunications Standards Institute) quy định chuẩn GSM là một tiêu chuẩn chung cho mạng thông tin di động toàn Châu Âu, và năm 1990 chỉ tiêu kỹ thuật GSM phase I (giai đoạn I) được công bố.
Năm 1992, Telstra Australia là mạng đầu tiên ngoài Châu Âu ký vào biên bản ghi nhớ GSM MoU (Memorandum of Understanding). Cũng trong năm này, thỏa thuận chuyển vùng quốc tế đầu tiên được ký kết giữa hai mạng Finland Telecom của Phần Lan và Vodafone của Anh. Tin nhắn SMS đầu tiên cũng được gửi đi trong năm 1992.
Những năm sau đó, hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM phát triển một cách mạnh mẽ, cùng với sự gia tăng nhanh chóng của các nhà điều hành, các mạng di động mới, thì số lượng các thuê bao cũng gia tăng một cách chóng mặt.
Năm 1996, số thành viên GSM MoU đã lên tới 200 nhà điều hành từ gần 100 quốc gia. 167 mạng hoạt động trên 94 quốc gia với số thuê bao đạt 50 triệu.
Năm 2000, GPRS được ứng dụng. Năm 2001, mạng 3GSM (UMTS) được đi vào hoạt động, số thuê bao GSM đã vượt quá 500 triệu. Năm 2003, mạng EDGE đi vào hoạt động.
Cho đến năm 2008 số thuê bao di động GSM đã lên tới con số 2 tỉ với trên 700 nhà điều hành, chiếm gần 80% thị phần thông tin di động trên thế giới. Theo dự đoán của GSM Association, năm 2010 số thuê bao GSM sẽ đạt 2,5 tỉ.
(Nguồn: www.gsmworld.com; www.wikipedia.org )

Hình 0‑1 Thị phần thông tin di động trên thế giới năm 2008
[h=2]1.2 Cấu trúc địa lý của mạng[/h]Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi. Ở một mạng di động, cấu trúc này rất quạn trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng. Trong hệ thống GSM, mạng được phân chia thành các phân vùng sau (hình 1.2):

Hình 0‑2 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM

Hình 0‑3 Phân vùng và chia ô
[h=3]1.2.1 Vùng phục vụ PLMN (Public Land Mobile Network)[/h]Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia thành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới.
Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ PLMN, đó có thể là một hay nhiều vùng trong một quốc gia tùy theo kích thước của vùng phục vụ.
Kết nối các đường truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác (cố định hay di động) đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế. Tất cả các cuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều được định tuyến thông qua tổng đài vô tuyến cổng G-MSC (Gateway - Mobile Service Switching Center). G-MSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN.
[h=3]1.2.2 Vùng phục vụ MSC[/h]MSC (Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động, gọi tắt là tổng đài di động). Vùng MSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý. Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động. Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được lưu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR.
Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR.
[h=3]1.2.3 Vùng định vị (LA - Location Area)[/h]Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị LA. Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùng định vị này. Vùng định vị này là một vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi. Vùng định vị LA được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động.
Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity):
LAI = MCC + MNC + LAC
MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia
MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động
LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị (16 bit)
Cell (Tế bào hay ô)
Vùng định vị được chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thì không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng. Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng nhận đạng ô toàn cầu (CGI). Mỗi ô được quản lý bởi một trạm vô tuyến gốc BTS.
CGI = MCC + MNC + LAC + CI
CI (Cell Identity): Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định vị.
Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identification Code).






Chương II : HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM
[h=2]2.1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM[/h]
Hình 0‑4 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM
Các ký hiệu:
[TABLE="width: 100%"]
[TR]
[TD]OSS
[/TD]
[TD]: Phân hệ khai thác và hỗ trợ
[/TD]
[TD]BTS
[/TD]
[TD]: Trạm vô tuyến gốc
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]AUC
[/TD]
[TD]: Trung tâm nhận thực
[/TD]
[TD]MS
[/TD]
[TD]: Trạm di động
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]HLR
[/TD]
[TD]: Bộ ghi định vị thường trú
[/TD]
[TD]ISDN
[/TD]
[TD]: Mạng số liên kết đa dịch vụ
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]MSC
[/TD]
[TD]: Tổng đài di động
[/TD]
[TD="colspan: 2"]PSTN (Public Switched Telephone Network):
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]BSS
[/TD]
[TD]: Phân hệ trạm gốc
[/TD]
[TD="colspan: 2"]Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]BSC
[/TD]
[TD]: Bộ điều khiển trạm gốc
[/TD]
[TD]PSPDN
[/TD]
[TD]: Mạng chuyển mạch gói công cộng
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]OMC
[/TD]
[TD]: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng
[/TD]
[TD="colspan: 2"]CSPDN (Circuit Switched Public Data Network):
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]SS
[/TD]
[TD]: Phân hệ chuyển mạch
[/TD]
[TD="colspan: 2"]Mạng số liệu chuyển mạch kênh công cộng
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]VLR
[/TD]
[TD]: Bộ ghi định vị tạm trú
[/TD]
[TD]PLMN
[/TD]
[TD]: Mạng di động mặt đất công cộng
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]EIR
[/TD]
[TD]: Thanh ghi nhận dạng thiết bị
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[h=2]2.2 Các thành phần chức năng trong hệ thống[/h]Mạng thông tin di động công cộng mặt đất PLMN (Public Land Mobile Network) theo chuẩn GSM được chia thành 4 phân hệ chính sau:
ü Trạm di động MS (Mobile Station)
ü Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)
ü Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem)
ü Phân hệ khai thác và hỗ trợ (Operation and Support Subsystem)
2.2.1 Trạm di động (MS - Mobile Station)
Trạm di động (MS) bao gồm thiết bị trạm di động ME (Mobile Equipment) và một khối nhỏ gọi là mođun nhận dạng thuê bao (SIM-Subscriber Identity Module). Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card hoặc còn gọi là card thông minh. SIM cùng với thiết bị trạm (ME-Mobile Equipment) hợp thành trạm di động MS. SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế người sử dụng có thể lắp SIM vào bất cứ máy điện thoại di động GSM nào truy nhập vào dịch vụ đã đăng ký. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số nhận dạng điện thoại di động IMEI (International Mobile Equipment Identity). Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI (International Subcriber Identity) để hệ thống nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác. IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân. Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân (PIN).
Trạm di động ở GSM thực hiện hai chức năng:
-Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường vô tuyến.
-Đăng ký thuê bao, ở chức năng thứ hai này mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là SIM card. Trừ một số trường hợp đặc biệt như gọi cấp cứu thuê bao chỉ có thể truy nhập vào hệ thống khi cắm thẻ này vào máy.
2.2.2 Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station Subsystem)
BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông qua giao diện vô tuyến. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch SS. Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác. BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận hành và bảo dưỡng OSS. Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm:
ü TRAU (Transcoding and Rate Adapter Unit): Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ.
ü BSC (Base Station Controler): Bộ điều khiển trạm gốc.
ü BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc.
2.2.2.1 Khối BTS (Base Tranceiver Station):
Một BTS bao gồm các thiết bị thu /phát tín hiệu sóng vô tuyến, anten và bộ phận mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến. Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào (cell).
[h=4]2.2.2.2 Khối TRAU (Transcode/Rate Adapter Unit):[/h]Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại chuẩn (64 Kb/s) trước khi chuyển đến tổng đài. TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể được đặt cách xa BTS và thậm chí còn đặt trong BSC và MSC
2.2.2.3 Khối BSC (Base Station Controller):
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa. Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao. Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân hệ chuyển mạch SS. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A.bis.
Phân hệ chuyển mạch (SS - Switching Subsystem)
Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:
ü Trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động MSC
ü Thanh ghi định vị thường trú HLR
ü Thanh ghi định vị tạm trú VLR
ü Trung tâm nhận thực AuC