81 CHƯƠNG 3: BÁO HIỆU TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Tóm tắt: Nội dung của chương tập trung vào các mô hình báo hiệu trong mạng thông tin di động bao gồm các mạng di động thế hệ hai và thế hệ ba. Các thủ tục báo hiệu được phân chia thành các vùng mạng truy nhập vô tuyến và vùng mạng lõi cùng với các kết nối báo hiệu tới các hạ tầng mạng khác. 3.1 BÁO HIỆU TRONG MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO 3.1.1 Các thế hệ phát triển mạng di động tế bào Từ cuối những năm 1970, với sự ra đời của các công nghệ, các mạng vô tuyến di động tế bào đã đƣợc phát triển rất nhanh chóng. Thập kỷ 1980 chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tƣơng tự, thƣờng đƣợc gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng PLMR (Public Land Mobile Radio). Các hệ thống loại này đƣợc gọi là hệ thống vô tuyến di động tế bào thế hệ thứ nhất 1G (1st Generation), tiêu biểu là Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến AMPS (Advanced Mobile Phone Service) của Mỹ công tác trên dải tần 800 MHz và Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT 450 (Nordic Mobile Telephony) công tác trên dải tần 450 MHz, rồi sau đó trên cả dải 900 MHz (NMT 900). Làm việc ở dải UHF, các mạng này cho thấy một sự thay đổi vƣợt bậc về độ phức tạp của các hệ thống thông tin liên lạc dân sự. Chúng cho phép những ngƣời sử dụng có đƣợc các cuộc đàm thoại trong khi di động với nhau hay với bất kỳ đối tƣợng nào có nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN hoặc các mạng thông tin số đa dịch vụ tích hợp ISDN. Trong những năm 1990 đã có những bƣớc tiến hơn nữa với việc áp dụng các hệ thống thông tin di động tế bào số (digital cellular system). Các hệ thống mới này đƣợc gọi là các hệ thống vô tuyến di động thế hệ thứ hai 2G (2nd Generation), tiêu biểu là Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile communications) của Châu Âu công tác trên dải tần 900 MHz và 1800 MHz, các hệ PTIT 82 thống của Mỹ IS-136 làm việc trên hai dải 800 MHz và 1900 MHz hay IS-95 công tác trên dải 800 MHz và các hệ thống viễn thông không dây số (digital cordless telecommunication system) nhƣ Hệ thống viễn thông không dây số của Châu Âu DECT (Digital European Cordless Telecommunications). Trong số các hệ thống 2G kể trên, hệ thống GSM đƣợc xem là hệ thống thành công nhất. Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền thống, các hệ thống vô tuyến di động số thế hệ thứ hai cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác nhƣ thƣ thoại (voice-mail), truyền số liệu tốc độ thấp, truyền fax, các tin ngắn (short message) Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chủ yếu vẫn nhắm vào phục vụ dịch vụ thoại. Dịch vụ số liệu mà chúng đáp ứng đƣợc chủ yếu là dịch vụ truyền số liệu chuyển mạch kênh tốc độ thấp (dƣới 10 kb/s), không đáp ứng đƣợc các nhu cầu truyền số liệu ngày càng tăng. Chính sự phát triển nhanh chóng về nhu cầu đối với các dịch vụ dữ liệu, nhất là đối với Internet, đã thúc đẩy mạnh mẽ công nghiệp vô tuyến và là động lực chính đối với sự phát triển các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G (3rd Generation) đa dịch vụ. Các nỗ lực phát triển thông tin di động 3G đƣợc phát động trƣớc tiên tại Châu Âu. Vào năm 1988, dự án RACE 1043 đã đƣợc hình thành với mục đích ấn định công nghệ và dịch vụ cho hệ thống 3G gọi là Hệ thống viễn thông di động vạn năng (UMTS: Universal Mobile Telecommunications System). Song song với dự án RACE 1043, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) cũng thành lập ban TG8/1, ban đầu đặt dƣới sự bảo trợ của CCIR (Uỷ ban tƣ vấn quốc tế về vô tuyến), nhằm phối hợp hoạt động nghiên cứu phát triển hệ thống 3G với tên gọi Hệ thống viễn thông di động mặt đất công cộng tƣơng lai (FPLMTS: Future Public Land Mobile Telecommunications System), mục đích ban đầu là xây dựng một tiêu chuẩn 3G chung cho toàn thế giới. Sau này TG8/1 đã bỏ tên gọi FPLMTS, thay bằng Viễn thông di động quốc tế cho năm 2000 (IMT-2000: International Mobile Telecommunications-2000) và chấp nhận một họ các tiêu chuẩn cho 3G. Dự án IMT-2000 đã xây dựng các yêu cầu chung nhất cho các hệ thống thông tin di động PTIT 83 3G nhằm phục vụ nhiều loại hình dịch vụ, với tốc độ tối đa lên tới 2 Mb/s. Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ thống thông tin di động 3G, một cách vắn tắt, bao gồm: + Có khả năng truyền thông đa phƣơng tiện với các tốc độ: a) 384 kb/s (đi bộ) và 144 kb/s (trên xe) đối với môi trƣờng ngoài trời (out-door) có vùng phủ sóng tƣơng đối rộng; b) tới 2 Mb/s đối với môi trƣờng trong nhà (in-door) có vùng phủ sóng hẹp; + Có khả năng cung cấp đa dịch vụ nhƣ thoại, hội nghị truyền hình (video conferencing), dữ liệu gói. Hỗ trợ cả các dịch vụ chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói và truyền dữ liệu không đối xứng (tốc độ bít cao trên đƣờng xuống và tốc độ bít thấp trên đƣờng lên); + Có khả năng lƣu động và chuyển vùng quốc gia lẫn quốc tế; + Có khả năng tƣơng thích, cùng tồn tại và liên kết với vệ tinh viễn thông; + Cơ cấu tính cƣớc theo dung lƣợng truyền chứ không theo thời gian kết nối; Đã có tới mƣời sáu đề xuất tiêu chuẩn cho các hệ thống 3G, trong đó mƣời cho các mạng 3G mặt đất và sáu cho các hệ thống di động vệ tinh MSS (Mobile Satellite Systems). Đa số các đề xuất đều ủng hộ chọn CDMA (Code Division Multiple Access-Đa truy nhập theo mã) làm phƣơng thức đa truy nhập và ITU chấp thuận các tiêu chuẩn trong IMT-2000 sẽ bao gồm năm công nghệ sau: + IMT DS (Direct Sequence): Công nghệ này đƣợc gọi rộng rãi là UTRA FDD và W-CDMA, trong đó UTRA là Truy nhập vô tuyến mặt đất cho UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access), FDD là song công phân chia theo tần số (Frequency Division Duplex), còn W trong W-CDMA là băng rộng (Wideband); + IMT MC (MultiCarrier): Hệ thống này (còn đƣợc gọi là cdma2000) là phiên bản 3G của IS-95 (nay đƣợc gọi là cdmaOne), sử dụng đa sóng mang; + IMT TC (Time Code): Đây là UTRA TDD, tức là kiểu UTRA sử dụng song công phân chia theo thời gian (Time Division Duplex); PTIT 84 + IMT SC (Single Carrier): IMT đơn sóng mang, nguyên thuỷ là một dạng của GSM pha 2+ gọi là EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution); + IMT FT (Frequency Time): IMT tần số-thời gian, là hệ thống viễn thông không dây tăng cƣờng DECT (Digitally Enhanced Cordless Telecommunications). Hiện nay, ITU thực hiện việc phân loại các mạng di động quốc tế thành 3 loại hệ thống gồm: các hệ thống IMT-2000 là các hệ thống 3G (UMTS, CDMA2000); hệ thống enhanced IMT-2000 (thế hệ sau 3G) và IMT-Advance là hệ thống 4G. Để tiến tới 4G, LTE đƣợc coi là con đƣờng chính hiện nay cho sự phát triển công nghệ và đƣợc phát triển bởi 3GPP. Hình 3.1: Lộ trình phát triển các thế hệ mạng di động 3GPP-LTE là công nghệ hƣớng tới hệ thống di động tốc độ cao và tích hợp với các chuẩn ứng dụng dịch vụ khác. Do đó, ngƣời dùng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS trên nền WCDMA. 3GPP-LTE hỗ trợ cơ chế cấp phát phổ tần linh động và các dịch vụ đa phƣơng tiện tốc độ cao khi thiết bị di chuyển. PTIT 85 3.1.2 Kiến trúc báo hiệu cho hệ thống GSM Kiến trúc hệ thống GSM đƣợc chia làm 3 phần: phân hệ trạm gốc BSS, phân hệ chuyển mạch và mạng NSS, phân hệ vận hành và bảo dƣỡng OSS. Mỗi phân hệ có các nhiệm vụ riêng và đƣợc cấu trúc bởi các thực thể chức năng. BSS gồm có bộ thu phát gốc BTS và bộ điều khiển trạm gốc BSC. BSS cung cấp và quản trị tuyến thông tin giữa thuê bao di động MS và NSS. NSS là bộ não của toàn bộ mạng GSM, nó bao gồm trung tâm chuyển mạch cho di động MSC và 4 nút mạng thông minh là đăng ký thuê bao nhà HLR, đăng ký thuê bao khách VLR, đăng ký nhận dạng thiết bị EIR và trung tâm nhận thực AuC. OSS cung cấp phƣơng tiện để các nhà cung cấp dịch vụ có thể điều khiển và quản trị mạng. Nó gồm các trung tâm vận hành và bảo dƣỡng OMC làm nhiệm vụ khai thác, quản lý, bảo dƣỡng. Hình 3.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống GSM Nguyên thủy thì phân hệ OSS thuộc quyền sở hữu của mạng và không liên quan đến báo hiệu. Còn đứng về mặt thuật ngữ của lớp vật lý thì môi trƣờng không khí trên giao diện MS-BTS để truyền dẫn sóng vô tuyến và dùng LAP-D là giao thức lớp 2. MSC không kết nối trực tiếp với BTS mà thông qua BSC, đƣợc coi nhƣ là giao diện giữa phần vô tuyến và phần chuyển mạch. Kết nối giữa BTS và BSC PTIT 86 thông qua giao diện A–bis. Giao diện A-bis là đƣờng liên kết số 64 kbps, sử dụng 3 giao thức để truyền tải thông tin báo hiệu đến MSC: o Thủ tục truy nhập đƣờng trên kênh D (LAPD) o Quản trị trạm thu phát gốc (BTSM) o Bảo dƣỡng và vận hành A-bis (ABOM) o Phần ứng dụng truyền tải trực tiếp (DTAP) Giao thức LAPD đƣợc dùng nhƣ giao thức lớp 2, cung cấp khả năng trao đổi thông tin cần thiết từ nút - nút để gửi các gói tin qua mạng. Giao thức BTSM dùng để quản lý các thiết bị vô tuyến của trạm gốc và giao diện giữa trạm gốc với MSC. Dữ liệu và các thông tin báo hiệu khác đƣợc gửi từ trạm gốc thông qua một giao thức của SS7 - phần DTAP. Hình 3.3: Phân lớp chức năng của SS7 trong mạng GSM Các giao thức SS7 đƣợc sử dụng trong mạng di động để cung cấp thông tin báo hiệu cho việc thiết lập và giải phóng các kết nối cũng nhƣ chia sẻ những thông tin trong cơ sở dữ liệu cho các thực thể của mạng. Ngăn xếp của SS7 sử dụng cho mạng di động đƣợc thể hiện trên hình 3.3. MSC kết nối với mạng cố định thông qua giao thức ISUP hoặc TUP. Cùng với MTP và SCCP, còn có thêm một số các giao thức khác để MSC giao tiếp với các thực thể khác trong hệ thống GSM. Đó là các giao thức: o Phần ứng dụng di động MAP PTIT 87 o Phần ứng dụng di động phân hệ trạm gốc BSSMAP o Phần ứng dụng truyền tải trực tiếp DTAP o Phần ứng dụng khả năng phiên dịch TCAP Trên giao diện A giữa phân hệ BSS và MSC sử dụng phần ứng dụng hệ thống trạm gốc BSSAP. BSSAP có thể đƣợc chia thành phần ứng dụng quản trị hệ thống trạm gốc BSSMAP và phần ứng dụng truyền tải trực tiếp DTAP. BSSAP đƣợc sử dụng để trao đổi các bản tin giữa BSC và MSC mà BSC thực sự phải xử lý ví dụ nhƣ bản tin quản trị tài nguyên vô tuyến RR. Còn DTAP bao gồm những bản tin mà phân hệ NSS và máy di động MS trao đổi với nhau. Những bản tin này (ví dụ bản tin quản trị kết nối CM, bản tin quản trị di động MM) là trong suốt đối với BSC. BSC chỉ làm chức năng chuyển tiếp bản tin mà không xử lý nó. Phần ứng dụng di động MAP là giao thức của SS7 hỗ trợ cho mạng di động. Nó định nghĩa những hoạt động giữa các thành phần mạng nhƣ MSC, HLR, VLR, EIR và mạng cố định. Các lớp truyền tải, phiên và trình diễn không sử dụng trong SS7, các chức năng này đƣợc nhóm trong lớp ứng dụng sử dụng ISUP và TUP. Các giao thức MAP đƣợc thiết kế là MAP/B và MAP/H tuỳ thuộc vào chức năng của giao tiếp. Các giao diện và giao thức của GSM đƣợc trình bày trong bảng 3.1 và hình dƣới đây. Bảng 3.1: Các giao diện và giao thức cơ bản của hệ thống GSM Giao diện Liên kết Mô tả U m MS-BSS Giao tiếp môi trƣờng đƣợc sử dụng để trao đổi thông tin giữa MS-BSS. LAPD m là thủ tục sửa đổi từ LAPD d cho báo hiệu. A bis BSC-BTS Giao diện nội bộ của BSS sử dụng liên kết giữa BSC và BTS. A bis cho phép điều khiển thiết bị vô tuyến và chỉ định tần số trong BTS. A BSS-MSC Quản lý nguồn tài nguyên và tính di động của MS. B MSC-VRL Xử lý báo hiệu giữa MSC và VRL. Giao tiếp B sử PTIT 88 dụng giao thức MAP/B. C GMSC- HRL SMSG- HRL Sử dụng để điều khiển các cuộc gọi từ trong vùng GSM ra ngoài và ngƣợc lại. Giao thức MAP/C sử dụng cho thông tin định tuyến và tính cƣớc qua các gateway. D HRL-VRL Giao thức MAP/D sử dụng để trao đổi dữ liệu liên quan tới vị trí của MS và các số liệu phụ của thuê bao. E MSC-MSC Giao thức MAP/E sử dụng để trao đổi thông tin chuyển vùng giữa các MSC. F MSC-EIR Giao thức MAP/F sử dụng để xác nhận trạng thái IMEI của MS. G VRL-VRL Giao thức MAP/G sử dụng để chuyển các thông tin thuê bao trong các thủ tục cập nhật vị trí vùng. H MSC- SMSG Giao thức MAP/H hỗ trợ truyền bản tin nhắn tin ngắn SMS. I MSC-MS Giao diện I là giao diện giữa MSC và MS. Các bản tin trao đổi qua giao diện I qua BSS là trong suốt. Hình 3.4: Vị trí các giao diện trong hệ thống GSM PTIT 89 Các hoạt động điều hành của MAP có thể chia thành 5 phần chính nhƣ sau: quản lý di động; vận hành và bảo dƣỡng; xử lý cuộc gọi; hỗ trợ dịch vụ bổ sung; dịch vụ bản tin ngắn SMS. Quản lý di động Các tác vụ quản lý di động gồm một số các nội dung sau: Quản lý vị trí, tìm kiếm vị trí của MS, quản lý truy nhập, chuyển giao vùng, quản lý nhận thực, quản lý bảo mật, quản lý IMEI, quản lý thuê bao, nhận dạng thuê bao và khôi phục lỗi. Để hạn chế các thông tin trao đổi giữa HRL, các HRL chỉ chứa các thông tin về MSC/VRL quản lý thuê bao hiện thời. Việc quản lý vị trí gồm một số tác vụ nhƣ: Cập nhật vùng, loại bỏ vùng, gửi nhận dạng, xác định MS. Chuyển vùng giữa các MSC đƣợc thực hiện bởi một chuỗi các thủ tục báo hiệu gồm: Chuẩn bị chuyển vùng, gửi tín hiệu tới kết cuối, xử lý báo hiệu truy nhập, chuyển báo hiệu truy nhập và chuyển vùng. Các thủ tục cơ bản đƣợc thể hiện qua ví dụ trên hình 3.5 dƣới đây. Các thủ tục đƣợc thực hiện qua giao thức MAP/E, cập nhật vị trí mới của MS đƣợc thực hiện qua MAP/D không thể hiện trong hình vẽ. Hình 3.5: Các thủ tục chuyển vùng qua MAP/E PTIT 90 Vận hành và bảo dưỡng Vận hành và bảo dƣỡng đƣợc chia thành hai vùng chính: Giám sát thuê bao và nhiệm vụ hỗn hợp. Giám sát thuê bao gồm hai trạng thái kích hoạt và không kích hoạt, trạng thái kích hoạt giám sát thuê bao đƣợc khởi tạo từ HRL yêu cầu VRL kiểm tra trạng thái của thuê bao và gửi về MSC để giám sát MS. Nhiệm vụ hỗn hợp sử dụng trong mạng GSM hiện nay chỉ thực hiện nhiệm vụ trao đổi thông tin về thuê bao giữa HRL và VRL. Xử lý cuộc gọi Các thủ tục xử lý cuộc gọi chủ yếu dựa trên các thông tin định tuyến, khi các thuê bao tìm kiếm và xác nhận các địa chỉ MSC đích, các thủ tục do MAP không còn cần thiết. Riêng việc xử lý cuộc gọi qua gateway của trung tâm chuyển mạch di động GMSC thì vẫn phải sử dụng các giao thức MAP/C. Hình 3.6: Các điều hành của MAP trong trường hợp cuộc gọi từ mạng PSTN Trong trƣờng hợp một thuê bao từ mạng cố định PSTN gọi sang mạng di động, các bản tin khởi tạo ISUP IAM đƣợc gửi tới gateway chứa thông tin số bị gọi. Dựa trên các con số này, mạng PSTN định tuyến cuộc gọi tới GMSC thích hợp. GMSC chứa nhận dạng thuê bao di động trong cơ sở dữ liệu sẽ sử dụng điều hành MAP tới HRL để tim kiếm MS. Nếu thuê bao đang trong trạng thái chuyển vùng, các thông tin trao đổi giữa HRL và VRL đƣợc thực thi để đảm bảo quá trình định tuyến thành PTIT . liên kết giữa BSC và BTS. A bis cho phép điều khiển thiết bị vô tuyến và chỉ định tần số trong BTS. A BSS-MSC Quản lý nguồn tài nguyên và tính di động của MS. B MSC-VRL Xử lý báo hiệu. đƣợc thực hiện bởi một chuỗi các thủ tục báo hiệu gồm: Chuẩn bị chuyển vùng, gửi tín hiệu tới kết cuối, xử lý báo hiệu truy nhập, chuyển báo hiệu truy nhập và chuyển vùng. Các thủ tục cơ bản đƣợc. thế hệ ba. Các thủ tục báo hiệu được phân chia thành các vùng mạng truy nhập vô tuyến và vùng mạng lõi cùng với các kết nối báo hiệu tới các hạ tầng mạng khác. 3.1 BÁO HIỆU TRONG MẠNG DI ĐỘNG