Hướng dẫn GSM

GSM sử dụng Đa truy nhập phân chia theo thời gian băng hẹp (TDMA) để cung cấp các dịch vụ thoại và văn bản qua mạng điện thoại di động. Vì vậy, hướng dẫn này được chia thành các chương khác nhau và mô tả các khái niệm và chức năng cơ bản của GSM

Hướng dẫn này được thiết kế cho những người đọc muốn hiểu những điều cơ bản về GSM một cách đơn giản. Hướng dẫn này chỉ cung cấp đủ tài liệu để có một nền tảng vững chắc về GSM, từ đó bạn có thể chuyển sang các cấp độ chuyên môn cao hơn

Nhận thức chung về một số khái niệm cơ bản về viễn thông là đủ để hiểu các khái niệm được giải thích trong hướng dẫn này.

GSM – Tổng quan

Nếu bạn đang ở Châu Âu hoặc Châu Á và sử dụng điện thoại di động, thì có lẽ hầu hết bạn đang sử dụng công nghệ GSM trên điện thoại di động của mình. Nó là công nghệ di động được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.

GSM là gì?

GSM là viết tắt của G lobal S ystem cho M obile Communication. Nó là một công nghệ di động kỹ thuật số được sử dụng để truyền các dịch vụ dữ liệu và thoại di động. Thông tin quan trọng về GSM được đưa ra dưới đây:

Khái niệm về GSM xuất hiện từ một hệ thống vô tuyến di động dựa trên tế bào tại Phòng thí nghiệm Bell vào đầu những năm 1970.
GSM là tên của một nhóm tiêu chuẩn hóa được thành lập vào năm 1982 để tạo ra một tiêu chuẩn điện thoại di động chung của Châu Âu.
GSM là tiêu chuẩn được chấp nhận rộng rãi nhất trong viễn thông và nó được thực hiện trên toàn cầu.
GSM là một hệ thống chuyển mạch kênh chia mỗi kênh 200 kHz thành tám khe thời gian 25 kHz. GSM hoạt động trên các băng tần thông tin di động 900 MHz và 1800 MHz ở hầu hết các nơi trên thế giới. Ở Mỹ, GSM hoạt động ở các băng tần 850 MHz và 1900 MHz.
GSM sở hữu thị phần hơn 70% thuê bao di động kỹ thuật số trên thế giới.
GSM sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian băng hẹp (TDMA) để truyền tín hiệu.
GSM được phát triển bằng công nghệ kỹ thuật số. Nó có khả năng mang tốc độ dữ liệu từ 64 kbps đến 120 Mb / giây.
Hiện nay GSM hỗ trợ hơn một tỷ thuê bao di động tại hơn 210 quốc gia trên thế giới.
GSM cung cấp các dịch vụ thoại và dữ liệu từ cơ bản đến nâng cao bao gồm cả dịch vụ chuyển vùng. Chuyển vùng là khả năng sử dụng số điện thoại GSM của bạn trong một mạng GSM khác.

GSM số hóa và nén dữ liệu, sau đó gửi dữ liệu xuống qua một kênh với hai luồng dữ liệu người dùng khác, mỗi luồng trong khoảng thời gian riêng của nó.

Tại sao lại là GSM?

Dưới đây là danh sách các tính năng của GSM giải thích cho sự phổ biến và được chấp nhận rộng rãi của nó.

Cải thiện hiệu quả phổ
Chuyển vùng quốc tế
Bộ di động chi phí thấp và trạm gốc (BS)
Bài phát biểu chất lượng cao
Khả năng tương thích với Dịch vụ Tích hợp Mạng Kỹ thuật số (ISDN) và các dịch vụ khác của công ty điện thoại
Hỗ trợ các dịch vụ mới

Lịch sử GSM

Bảng sau đây cho thấy một số sự kiện quan trọng trong quá trình triển khai hệ thống GSM.

Năm	Sự kiện
1982	Hội nghị Bưu chính và Điện báo Châu Âu (CEPT) thành lập một nhóm GSM để mở rộng các tiêu chuẩn cho hệ thống di động toàn Châu Âu.
1985	Một danh sách các đề xuất do nhóm tạo được chấp nhận.
1986	Đã thực hiện các thử nghiệm hiện trường để kiểm tra các kỹ thuật vô tuyến khác nhau được khuyến nghị cho giao diện không khí.
1987	Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) được chọn làm phương pháp truy cập (với Đa truy nhập phân chia theo tần số [FDMA]). Biên bản ghi nhớ ban đầu (MoU) được ký kết bởi các nhà khai thác viễn thông đại diện cho 12 quốc gia.
1988	Hệ thống GSM được xác nhận.
1989	Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) được giao trách nhiệm về các thông số kỹ thuật của GSM.
1990	Giai đoạn 1 của các thông số kỹ thuật GSM được chuyển giao.
1991	Sự ra mắt thương mại của dịch vụ GSM xảy ra. Các thông số kỹ thuật của DCS1800 đã được hoàn thiện.
1992	Việc bổ sung các quốc gia đã ký MoU GSM sẽ diễn ra. Phạm vi phủ sóng lan rộng đến các thành phố và sân bay lớn hơn.
1993	Vùng phủ sóng của các con đường chính Các dịch vụ GSM bắt đầu bên ngoài Châu Âu.
1994	Đã khởi chạy khả năng truyền dữ liệu. Số lượng mạng lưới tăng lên 69 tại 43 quốc gia vào cuối năm 1994.
1995	Giai đoạn 2 của các thông số kỹ thuật GSM xảy ra. Vùng phủ sóng được mở rộng đến các vùng nông thôn.
1996	Mạng lưới hoạt động tháng 6 – 133 tại 81 quốc gia.
1997	Mạng lưới 200 tháng 7 tại 109 quốc gia hoạt động, khoảng 44 triệu thuê bao trên toàn thế giới.
1999	Giao thức Ứng dụng Không dây (WAP) ra đời và hoạt động ở 130 quốc gia với 260 triệu thuê bao.
2000	Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp (GPRS) ra đời.
2001	Tính đến tháng 5 năm 2001, hơn 550 triệu người đã đăng ký dịch vụ viễn thông di động.

GSM – Kiến trúc

Mạng GSM bao gồm nhiều đơn vị chức năng. Các chức năng và giao diện này được giải thích trong chương này. Mạng GSM có thể được chia thành:

Trạm di động (MS)
Hệ thống con Trạm gốc (BSS)
Hệ thống con chuyển mạch mạng (NSS)
Hệ thống con hỗ trợ hoạt động (OSS)

GSM – Trạm di động

MS bao gồm thiết bị vật lý, chẳng hạn như bộ thu phát vô tuyến, bộ xử lý tín hiệu số và màn hình, và thẻ SIM. Nó cung cấp giao diện không khí cho người dùng trong mạng GSM. Do đó, các dịch vụ khác cũng được cung cấp, bao gồm:

Điện thoại thoại
Dịch vụ mang dữ liệu
Các dịch vụ bổ sung của các tính năng

MS cũng cung cấp bộ nhận tin nhắn SMS, cho phép người dùng chuyển đổi giữa việc sử dụng thoại và dữ liệu. Hơn nữa, điện thoại di động tạo điều kiện truy cập vào hệ thống nhắn tin thoại. MS cũng cung cấp quyền truy cập vào các dịch vụ dữ liệu khác nhau có sẵn trong mạng GSM. Các dịch vụ dữ liệu này bao gồm:

Chuyển mạch gói X.25 thông qua kết nối quay số đồng bộ hoặc không đồng bộ tới PAD với tốc độ thường là 9,6 Kbps.
Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) sử dụng phương thức truyền dữ liệu dựa trên X.25 hoặc IP với tốc độ lên đến 115 Kbps.
Tốc độ cao, dữ liệu chuyển mạch kênh với tốc độ lên đến 64 Kbps.

Chúng ta sẽ thảo luận thêm về các dịch vụ GMS trong GSM – Dịch vụ Người dùng .

SIM là gì?

SIM cung cấp tính di động cá nhân để người dùng có thể truy cập vào tất cả các dịch vụ đã đăng ký bất kể vị trí của thiết bị đầu cuối và việc sử dụng thiết bị đầu cuối cụ thể. Bạn cần lắp thẻ SIM vào một điện thoại di động GSM khác để nhận cuộc gọi từ điện thoại đó, thực hiện cuộc gọi từ điện thoại đó hoặc nhận các dịch vụ đã đăng ký khác.

GSM – Hệ thống con Trạm gốc (BSS)

BSS bao gồm hai phần –

Trạm thu phát gốc (BTS)
Bộ điều khiển Trạm gốc (BSC)

BTS và BSC giao tiếp qua giao diện Abis được chỉ định, cho phép hoạt động giữa các thành phần do các nhà cung cấp khác nhau thực hiện. Các thành phần vô tuyến của BSS có thể bao gồm bốn đến bảy hoặc chín ô. Một BSS có thể có một hoặc nhiều trạm gốc. BSS sử dụng giao diện Abis giữa BTS và BSC. Sau đó, một đường dây tốc độ cao riêng biệt (T1 hoặc E1) được kết nối từ BSS đến Mobile MSC.

Trạm thu phát gốc (BTS)

BTS chứa các bộ thu phát vô tuyến xác định một ô và xử lý các giao thức liên kết vô tuyến với MS. Trong một khu đô thị lớn, số lượng lớn các trạm BTS có thể được triển khai

BTS tương ứng với các bộ thu phát và ăng ten được sử dụng trong mỗi ô của mạng. BTS thường được đặt ở trung tâm của một ô. Công suất truyền của nó xác định kích thước của một ô. Mỗi trạm BTS có từ 1 đến 16 bộ thu phát, tùy thuộc vào mật độ người dùng trong ô. Mỗi BTS đóng vai trò là một ô duy nhất. Nó cũng bao gồm các chức năng sau:

Mã hóa, mã hóa, ghép kênh, điều chế và cung cấp tín hiệu RF cho ăng-ten
Chuyển mã và thích ứng tốc độ
Đồng bộ hóa thời gian và tần số
Thoại thông qua các dịch vụ trọn gói hoặc nửa giá
Giải mã, giải mã và cân bằng tín hiệu đã nhận
Phát hiện truy cập ngẫu nhiên
Tiến độ thời gian

Các phép đo kênh đường lên

Bộ điều khiển Trạm gốc (BSC)

BSC quản lý tài nguyên vô tuyến cho một hoặc nhiều BTS. Nó xử lý thiết lập kênh radio, nhảy tần và chuyển giao. BSC là kết nối giữa điện thoại di động và MSC. BSC cũng chuyển kênh thoại 13 Kbps được sử dụng qua liên kết vô tuyến sang kênh chuẩn 64 Kbps được sử dụng bởi Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSDN) hoặc ISDN.

Nó chỉ định và giải phóng các tần số và khe thời gian cho MS. BSC cũng xử lý việc chuyển giao intercell. Nó kiểm soát việc truyền tải điện của BSS và MS trong khu vực của nó. Chức năng của BSC là phân bổ các khe thời gian cần thiết giữa BTS và MSC. Nó là một thiết bị chuyển mạch xử lý các tài nguyên vô tuyến.

Các chức năng bổ sung bao gồm

Kiểm soát nhảy tần
Thực hiện tập trung giao thông để giảm số lượng đường từ MSC
Cung cấp giao diện cho Trung tâm Điều hành và Bảo trì cho BSS
Phân bổ lại tần số giữa các BTS
Đồng bộ hóa thời gian và tần số
Quản lý năng lượng

Các phép đo thời gian trễ của các tín hiệu nhận được từ MS

GSM – Hệ thống con chuyển mạch mạng (NSS)

Hệ thống chuyển mạch mạng (NSS), bộ phận chính của hệ thống này là Trung tâm chuyển mạch di động (MSC), thực hiện chuyển đổi cuộc gọi giữa người dùng di động và người dùng mạng cố định hoặc di động khác, cũng như quản lý các dịch vụ di động như xác thực.

Hệ thống chuyển mạch bao gồm các phần tử chức năng sau:

Đăng ký vị trí nhà (HLR)

HLR là một cơ sở dữ liệu được sử dụng để lưu trữ và quản lý các đăng ký. HLR được coi là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất, vì nó lưu trữ dữ liệu vĩnh viễn về người đăng ký, bao gồm hồ sơ dịch vụ, thông tin vị trí và trạng thái hoạt động của người đăng ký. Khi một cá nhân mua một thuê bao dưới dạng SIM, thì tất cả thông tin về thuê bao này sẽ được đăng ký trong HLR của nhà khai thác đó.

Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC)

Thành phần trung tâm của Hệ thống con mạng là MSC. MSC thực hiện chuyển đổi cuộc gọi giữa di động và người dùng mạng cố định hoặc di động khác, cũng như quản lý các dịch vụ di động như đăng ký, xác thực, cập nhật vị trí, chuyển giao và định tuyến cuộc gọi đến một thuê bao chuyển vùng. Nó cũng thực hiện các chức năng như bán vé số, giao tiếp mạng, báo hiệu kênh chung và các chức năng khác. Mỗi MSC được xác định bằng một ID duy nhất.

Đăng ký vị trí của khách truy cập (VLR)

VLR là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin tạm thời về các thuê bao mà MSC cần để phục vụ các thuê bao đang truy cập. VLR luôn được tích hợp với MSC. Khi một trạm di động chuyển vùng vào một vùng MSC mới, VLR được kết nối với MSC đó sẽ yêu cầu dữ liệu về trạm di động từ HLR. Sau đó, nếu trạm di động thực hiện cuộc gọi, VLR sẽ có thông tin cần thiết để thiết lập cuộc gọi mà không cần phải hỏi HLR mỗi lần.

Trung tâm xác thực (AUC)

Trung tâm xác thực là cơ sở dữ liệu được bảo vệ lưu trữ bản sao của khóa bí mật được lưu trữ trong thẻ SIM của mỗi thuê bao, được sử dụng để xác thực và mã hóa kênh vô tuyến. AUC bảo vệ các nhà khai thác mạng khỏi các loại gian lận khác nhau được tìm thấy trong thế giới di động ngày nay.

Đăng ký nhận dạng thiết bị (EIR)

Sổ đăng ký Nhận dạng Thiết bị (EIR) là cơ sở dữ liệu chứa danh sách tất cả các thiết bị di động hợp lệ trên mạng, trong đó Danh tính Thiết bị Di động Quốc tế (IMEI) xác định từng MS. IMEI được đánh dấu là không hợp lệ nếu nó đã được báo cáo là bị đánh cắp hoặc loại không được chấp thuận.

GSM – Hệ thống con hỗ trợ hoạt động (OSS)

Trung tâm vận hành và bảo trì (OMC) được kết nối với tất cả các thiết bị trong hệ thống chuyển mạch và với BSC. Việc thực hiện OMC được gọi là hệ thống hỗ trợ và vận hành (OSS).

Dưới đây là một số hàm OMC−

Quản trị và vận hành thương mại (đăng ký, thiết bị đầu cuối, tính phí và thống kê).
Quản lý An ninh.
Cấu hình mạng, Vận hành và Quản lý Hiệu suất.
Công việc bảo trì.

Các chức năng vận hành và bảo trì dựa trên các khái niệm của Mạng quản lý viễn thông (TMN), được tiêu chuẩn hóa trong dòng ITU-T M.30. Hình dưới đây cho thấy cách hệ thống OMC bao gồm tất cả các phần tử GSM.

GSM - Hệ thống con hỗ trợ hoạt động (OSS)

PMNM là thực thể chức năng mà từ đó nhà điều hành mạng giám sát và điều khiển hệ thống. Mục đích của PMNM là cung cấp cho khách hàng sự hỗ trợ hiệu quả về chi phí cho các hoạt động vận hành và bảo trì tập trung, khu vực và cục bộ được yêu cầu đối với mạng GSM. Một chức năng quan trọng của PMNM là cung cấp một cái nhìn tổng quan về mạng và hỗ trợ các hoạt động bảo trì của các tổ chức vận hành và bảo trì khác nhau. Dưới đây là một cái nhìn bằng hình ảnh đơn giản về kiến trúc GSM

Các thành phần bổ sung của kiến trúc GSM bao gồm cơ sở dữ liệu và các chức năng của hệ thống nhắn tin –

Đăng ký vị trí nhà (HLR)
Đăng ký vị trí của khách truy cập (VLR)
Đăng ký nhận dạng thiết bị (EIR)
Trung tâm xác thực (AuC)
Trung tâm phục vụ SMS (SMS SC)
Gateway MSC (GMSC)
Trung tâm bồi hoàn (CBC)
Bộ chuyển mã và thích ứng (TRAU)

Sơ đồ sau đây cho thấy mạng GSM cùng với các phần tử được thêm vào:

MS và BSS giao tiếp qua giao diện Um. Nó còn được gọi là giao diện không khí hoặc liên kết vô tuyến . BSS giao tiếp với trung tâm Chuyển mạch Dịch vụ Mạng (NSS) qua giao diện A.

Các khu vực mạng GSM

Trong mạng GSM, các khu vực sau được xác định:

Cell – Tế bào là khu vực dịch vụ cơ bản; một BTS bao phủ một ô. Mỗi ô được cấp một Nhận dạng Toàn cầu Tế bào (CGI), một số nhận dạng duy nhất ô đó.
Vùng Vị trí – Một nhóm ô tạo thành Vùng Vị trí (LA). Đây là khu vực được phân trang khi thuê bao nhận được cuộc gọi đến. Mỗi LA được chỉ định một Nhận dạng Khu vực Vị trí (LAI). Mỗi LA được phục vụ bởi một hoặc nhiều BSC.
Vùng dịch vụ MSC / VLR – Vùng được bao phủ bởi một MSC được gọi là vùng dịch vụ MSC / VLR.