Tài liệu Giao tiếp với gsm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG THẾ LONG GIAO TIẾP VỚI GSM LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG THẾ LONG GIAO TIẾP VỚI GSM Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn Thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Diên Tập Hà Nội – 2010 -1- LỜI NÓI ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày nay đã và đang phát trên đà phát triển rất mạnh để nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con ngƣời. Công nghệ thông tin đóng vai trò cốt lõi trong việc nắm bắt, cập nhật thông tin của nhân loại. Hiện nay điện thoại di động đang có những bƣớc tiến vƣợt bậc về công nghệ, ngày càng phổ biến rộng rãi trong đời sống con ngƣời, do nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng đồng thời các thiết bị điện thoại ngày càng phổ biến rộng rãi, trong đó việc sử dụng mạng điện thoại để truyền tín hiệu điều khiển là phƣơng thức rất tiện lợi, tiết kiệm nhiều thời gian cho công việc. Một vấn đề đặt ra là chúng ta cần phát triển những ứng dụng liên lạc vào nhu cầu thực tiễn của con ngƣời, điều khiển tự động dựa trên hệ thống thông tin sẵn có, mang lại nhiều lợi ích cao cho ngƣời sử dụng. Ví dụ nhƣ giám sát trạng thái, điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng điện thoại, tự động cảnh báo qua mạng điện thoại cố định và di động... Dựa trên những kiến thức đã đƣợc học và tham khảo qua sách vở, mạng internet em quyết định chọn đề tài: "Giao tiếp với GSM ". Do kiến thức còn chƣa sâu, ít kinh nghiệm và thời gian có hạn, nên trong bài luận văn này không tránh khỏi thiếu sót, mong quý Thầy, Cô và các bạn đóng góp ý kiến để bài luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, Cô giáo và các bạn đã quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ em để từng bƣớc em hoàn thành đề tài này. Đặc biệt em chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Ngô Diên Tập đã chỉ dẫn cho em rất nhiều về mặt kiến thức, kỹ thuật, đồng thời đƣa ra nhiều định hƣớng, ý tƣởng giúp em hoàn thành luận văn này! Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Sinh viên thực hiện Hoàng Thế Long Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội -2- LỜI CAM ĐOAN Bài Luận văn này do em nghiên cứu, thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Ngô Diên Tập. Để hoàn thành luận văn này, em chỉ sử dụng những tài liệu liệt kê trong phần tài liệu tham khảo. Em cam đoan không sao chép bất kỳ công trình, thiết kế tốt nghiệp nào khác. Em xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình. Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội -3- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... 2 MỤC LỤC .............................................................................................................. 3 DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................... 4 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... 5 PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ............................................................................. 6 PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI ............................................................................. 7 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ............... 7 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TÍNH CỦA MÔĐEM GSM VÀ CÁCH GIAO TIẾP VỚI MÔĐUN SIM300CZ ................................................................. 9 2.1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM......................... 9 2.2. Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin di động .................................. 9 2.3. Lịch sử hình thành GSM ............................................................................ 11 2.4. Tổng quan về mạng thông tin di động số tế bào ........................................ 11 2.5. Giao diện vô tuyến ..................................................................................... 12 2.6. Kiến trúc mạng GSM ................................................................................. 13 2.7. Dịch vụ số liệu cải tiến GPRS – General Packet Radio Service .............. 19 2.8. Giới thiệu về Môđem GSM ....................................................................... 24 2.9. Tổng quan về môđun SIM300CZ .............................................................. 25 CHƢƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA128 .................... 29 3.1. Tổng quan về vi điều khiển ATMega128 .................................................. 29 3.2. Cấu trúc bộ nhớ và giao tiếp USART ........................................................ 32 3.2.1. Cấu trúc bộ nhớ .................................................................................... 32 3.2.2. Giao tiếp USART ................................................................................. 35 CHƢƠNG IV: TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM PHẦN CỨNG ........................... 41 4.1 Khối chỉnh lƣu nguồn. ................................................................................ 43 4.2 Khối vi điều khiển....................................................................................... 45 4.3 Khối hiển thị LCD ...................................................................................... 47 4.4 Khối giao tiếp máy tính qua USB và RS-232............................................. 49 4.5 Khối role đóng ngắt thiết bị. ....................................................................... 51 4.6 Môđun thu phát GSM ................................................................................ 52 4.7 Chƣơng trình vi điều khiển. ........................................................................ 54 4.8 Một số hình ảnh hoạt động thực tế của hệ thống ........................................ 55 Kết luận ................................................................................................................ 58 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 59 Phụ lục 01 ............................................................................................................. 60 Phụ lục 02 ............................................................................................................. 65 Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội -4- DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1 Kiến trúc mạng GSM.......................................................................................14 Hình 2.2 Trạm di động MS............................................................................................14 Hình 2.3 Các phân hệ của mạng GSM ..........................................................................16 Hình 2.4 Phân hệ trạm gốc BSS .................................................................................. 166 Hình 2.5 Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ TRAU .............................................. 177 Hình 2.6 Hệ chuyển mạch NSS .....................................................................................17 Hình 2.7 Kiến trúc chung của hệ thống GPRS ..............................................................20 Hình 2.8 Cấp phát địa chỉ IP tĩnh trong GPRS ..............................................................22 Hình 2.9 Cấp phát địa chỉ IP động trong GPRS ............................................................22 Hình 2.10 Môđun SIM300CZ ......................................................................................26 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch SIM300CZ ...............................................................28 Hình 3.1 Vi điều khiển ATMEGA128 ..........................................................................29 Hình 3.2 Sơ đồ chân vi điều khiển ATMega128 ...........................................................30 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển ATMega128................................................... 331 Hình 3.4 Bộ nhớ chƣơng trình có và không có sử dụng Boot loader ............................33 Hình 3.5 Bản đồ bộ nhớ dữ liệu ....................................................................................34 Hình 3.6 Thanh ghi dữ liệu UDR0 .................................................................................36 Hình 3.7 Thanh ghi điều khiển hoạt động UCSRA0 .....................................................36 Hình 3.8 Thanh ghi điều khiển hoạt động USART0 .....................................................37 Hình 3.9 Thanh ghi UCSRC ...........................................................................................38 Hình 3.10 Cấu trúc hai thanh ghi UBRRL và UBRRH..................................................39 Hình 4.1 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống giám sát, điều khiển.......................................41 Hình 4.2 Hình ảnh mạch phần cứng ...............................................................................42 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ............................................................................43 Hình 4.4 Mạch phần cứng khối nguồn ...........................................................................43 Hình 4.5 ATMEGA128 ..................................................................................................45 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý ATMEGA128 .......................................................................46 Hình 4.7 Mạch phần cứng ATMEGA128 ......................................................................46 Hình 4.8 LCD16x2 .........................................................................................................47 Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý giao tiếp ATMEGA128 với LCD.........................................47 Hình 4.10 Mạch nguyên lý USB ....................................................................................49 Hình 4.11 Mạch phần cứng USB ...................................................................................50 Hình 4.12 Mạch nguyên lý RS-232 ................................................................................50 Hình 4.13 Mạch phần cứng RS-232 ...............................................................................51 Hình 4.14 Phần cứng rơle ...............................................................................................51 Hình 4.15 Mạch phần cứng SIM300CZ .........................................................................52 Hình 4.16 Giao tiếp giữa SIM300CZ với ATMEGA128...............................................53 Hình 4.17 Bàn phím, mic, tai nghe môđun SIM300CZ .................................................53 Hình 4.18 Sơ đồ giải thuật hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị điện từ xa…………55 Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội -5- DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT THUẬT NGỮ AMPS BSC BTS CDMA FDMA FM GPRS GSM HSDPA, HSUPA IMSI LCD ME MSC OMS PSTN Ý NGHĨA TỪ GỐC Advanced Mobile Phone Service Base Station Controller Base Transceiver Station Code Division Multiple Access Frequency Division Multiple Access Fryquency Moducation General Packet Radio Service Global System Mobile Communication High Speed Downlink Packet Access, High Speed Uplink Packet Access International Mobile Subscriber Identity Liquid Crystal Display Mobile equipment Mobile Switching Center Operation and Maintenance SubSystem Public Switched Telecommunications Network SIM Subscriber Identity Module TDMA Time Division Multiple Access Giao tiếp với GSM Đa truy nhập phân chia theo tần số Điều chế tần số Dịch vụ vô tuyến gói chung Hệ thống truyền thông di động toàn cầu Gói đƣờng truyền tốc độ cao Bộ nhận dạng trạm gốc quốc tế Màn hình tinh thể lỏng Thiết bị di động Trung tâm chuyển mạch di động Phân hệ vận hành và bảo dƣỡng Mạng điện thoại công cộng toàn cầu Thiết bị nhận diện ngƣời đăng ký thuê bao ĐTDĐ Đa truy nhập phân chia theo thời gian Temporary Mobile Subscriber Identity Universal Mobile UMTS Telecommunication System Universal Synchronous/ USART Asynchronous Serial Receiver and Transmitter Wideband - Code Division WCDMA Multiple Access TMSI Dịch vụ điện thoại di động cao cấp Điều khiển trạm gốc Trạm thu cơ sở Đa truy nhập phân chia theo mã Nhận dạng trạm di động tạm thời Hệ thống viễn thông di động toàn cầu Bộ thu, phát đồng bộ bất đồng bộ phổ dụng Đa truy nhập phân chia theo mã trên băng rộng Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội -6- PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Trong thời đại hiện nay, hệ thống thông tin liên lạc là một trong những vấn đề quan trọng của xã hội, đặc biệt là những ứng dụng của nó trong các lĩnh vực kinh tế, khoa học kỹ thuật. Con ngƣời ngoài nhu cầu liên lạc của mình, còn có nhiều nhu cầu khác nhƣ: tự động trả lời điện thoại khi chủ vắng nhà, giám sát trạng thái, điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng điện thoại. Hệ thống điều khiển từ xa nắm giữ một vai trò quan trọng trong cuộc sống xã hội ngày nay. Điều khiển từ xa rất đa dạng và phong phú, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quân và dân sự... Việc sử dụng mạng điện thoại để truyền tín hiệu điều khiển là phƣơng thức khá thuận tiện và tiết kiệm nhiều thời gian cho công việc, đồng thời tiết kiệm đƣợc nhiều chi phí. Ngoài ra, ứng dụng của hệ thống điều khiển từ xa qua mạng điện thoại giúp con ngƣời tránh đƣợc những nguy hiểm trong điều kiện môi trƣờng làm việc khó khăn và nguy hiểm . Mạch giám sát trạng thái, điều khiển các thiết bị điện từ xa thông qua mạng điện thoại giúp ta giám sát trạng thái, điều khiển các thiết bị gia dụng khi không có ai ở nhà (có thể ở nhà) hoặc ở những môi trƣờng làm việc nguy hiểm mà con ngƣời khó thể qua lại hoặc trong một dây chuyền sản xuất để thay thế con ngƣời. Giả sử khi trong nhà không có ngƣời, nếu muốn giám sát, điều khiển các thiết bị điện, ta gửi tin nhắn theo cấu trúc mã lệnh đã lập trình vào Modem GSM ở nhà, Modem GSM sẽ thực thi câu lệnh đó và gửi trả lại phản hồi cho ta biết kết quả. Nhằm thử nghiệm khả năng giao tiếp với Modem GSM để giám sát trạng thái và điều khiển các thiết bị điện từ xa qua hệ thống mạng GSM, đồ án này đi vào thiết kế một mạch giao tiếp với Modem GSM để giám sát trạng thái và điều khiển từ xa các thiết bị điện trong gia đình. ---------------------------------------- Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội -7- PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Sự phát triển của hệ thống thông tin di động [9] Đầu năm 1960 dịch vụ điện thoại di động mới xuất hiện ở các dạng sử dụng đƣợc và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận. Các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lƣợng rất thấp so với các hệ thống hiện nay cuối cùng các hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) đã xuất hiện vào những năm 1980. Cuối năm 1980 ngƣời ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tƣơng tự không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu nhƣ không loại bỏ đƣợc các hạn chế cố hữu của các hệ thống này nhƣ: 1. Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lƣợng thấp. 2. Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trƣờng pha đinh đa tia. 3. Không đáp ứng đƣợc các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng. 4. Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng. 5. Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi. 6. Không tƣơng thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng đƣợc máy di động của mình ở nƣớc khác. Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với các kỹ thuật đa truy nhập mới. 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 đƣợc ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM. GSM đƣợc phát triển từ năm 1982 khi các nƣớc Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu ở băng tần 900 MHz. Năm 1985 hệ thống số đƣợc quyết định. Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã đƣợc lựa chọn. Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM đƣợc đƣa vào từ năm 1993. Ở Mỹ khi hệ thống AMPS tƣơng tự sử dụng phƣơng thức FDMA đƣợc triển khai vào giữa những năm 1980, các vấn đề dung lƣợng đã phát sinh ở các thị trƣờng di động chính nhƣ: New York, Los Angeles và Chicago. Mỹ đã có chiến lƣợc nâng cấp hệ thống này thành hệ thống số: Chuyển tới hệ thống Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội -8- TDMA đƣợc ký hiệu là IS - 54. Không giống nhƣ IS - 54, GSM đã đạt đƣợc các thành công ở Mỹ. Các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ trƣớc đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự. Đƣợc thành lập vào năm 1985, Qualcom đã phát phiển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận đƣợc nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ, Qualcom đã đƣa ra phiên bản CDMA đầu tiên đƣợc gọi là IS - 95A. Chúng ta đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thông, đặc biệt là thông tin di động và truyền thông không dây. Kỹ thuật đa truy nhập đang bùng nổ. Số lƣợng ngƣời sử dụng mạng di động tăng vọt. Nhu cầu dịch vụ ngày càng đa dạng, đặc biệt là các dịch vụ số liệu, kết nối Internet và multimedia. Hệ thống thông tin đi động tế bào đầu tiên đƣợc triển khai vào năm 1971 dùng kỹ thuật điều chế tƣơng tự FM ở dải tần 850 MHz. Tƣơng ứng là hệ thống AMPS của Mỹ ra đời vào năm 1983. Đến đầu những năm 90, thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt hệ thống ở nhiều nƣớc khác nhau: TACS, NMT, NAMPS… Tuy nhiên các hệ thống này đều không thỏa mãn đƣợc nhu cầu ngày càng tăng, trƣớc hết là nhu cầu về dung lƣợng. Mặt khác, việc tồn tại nhiều tiêu chuẩn không tƣơng thích với nhau làm cho liên lạc giữa các mạng cực kỳ khó khăn. Những hạn chế trên đã đƣợc đặt ra cho mạng di động tế bào thế hệ thứ hai phải giải quyết. Mạng di động thế hệ thứ hai ra đời, sử dụng kỹ thuật số thay vì kỹ thuật tƣơng tự nhƣ trong thế hệ thứ nhất. Việc sử dụng công nghệ số giúp cho mạng thế hệ thứ hai bảo đảm chất lƣợng cao trong một môi trƣờng nhiễu mạnh, có dung lƣợng lớn hơn, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn, có nhiều dịch vụ hơn … Mạng thế hệ thứ hai đƣợc phát triển mạnh mẽ, trong đó nổi tiếng nhất và đƣợc sử dụng nhiều nhất là mạng GSM với khoảng 600 triệu thuê bao trên toàn thế giới. Hiện tại GSM vẫn đang là tiêu chuẩn đƣợc ứng dụng rộng khắp… Nhƣng trong khi nhu cầu của ngƣời sử dụng ngày càng cao, thì hệ thống GSM vẫn còn nhiều hạn chế. Không hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao, không thể ứng dụng multimedia, dung lƣợng của mạng vẫn còn thấp. ---------------------------------------- Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội -9- CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TÍNH CỦA MÔĐEM GSM VÀ CÁCH GIAO TIẾP VỚI MÔĐUN SIM300CZ 2.1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM GSM - Global System for Mobile Communications: Hệ thống thông tin di động toàn cầu, là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Hệ thống thông tin di động toàn cầu là tiêu chuẩn phổ biến nhất trong thông tin di động trên thế giới hiện nay. Theo tổ chức sáng lập là hiệp hội GSM ƣớc đoán rằng, 80% thị trƣờng di động toàn cầu đang sử dụng công nghệ này, với hơn 3 tỷ ngƣời trên hơn 212 quốc gia. Sự phổ biến này giúp cho việc chuyển vùng quốc tế giữa các nhà cung cấp dịch vụ di động trở nên dễ dàng, các thuê bao có thể sử dụng dịch vụ di động ở nhiều nơi trên thế giới. Ngoài cung cấp dịch vụ cuộc gọi thoại, GSM cũng mở rộng các dịch vụ tiện lợi khác cho ngƣời sử dụng nhƣ tin nhắn ngắn SMS, đƣợc hỗ trợ tốt bởi hầu hết các chuẩn di động khác. Các tiêu chuẩn mới sau này ra đời, nhƣ General Packet Radio Service – GPRS (năm 1997) và Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE (năm 1999), mang lại các dịch vụ giá trị gia tăng phong phú và các mức cƣớc phí hấp dẫn. 2.2. Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin di động [4] * Thế hệ thứ nhất – 1G Sử dụng phƣơng thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM. Các đặc điểm chính: - Hỗ trợ dịch vụ thoại đơn thuần - Chất lƣợng thoại thấp - Tính bảo mật kém Một số hệ thống điển hình: - NMT: Nordic Mobile Telephone sử dụng băng tần 450MHz, triển khai tại các nƣớc Bắc Âu vào năm 1981 - TACS: Total Access Communication System triển khai tại Anh năm 1985 - AMPS: Advanced Mobile Phone System triển khai tại Bắc Mỹ vào năm 1978, sử dụng băng tần 800MHz * Thế hệ thứ hai – 2G Là các hệ thống thông tin di động số tế bào Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội - 10 - Các đặc điểm: - Dung lƣợng truyền tải tăng - Chất lƣợng thoại tốt hơn - Hỗ trợ một số dịch vụ số liệu đơn giản Phƣơng thức truy cập: TDMA, CDMA Phƣơng thức chuyển mạch: chuyển mạch kênh Một số hệ thống điển hình: - GSM: Global System for Mobile Communications, triển khai tại châu Âu năm 1991 - D-AMPS: Digital Advanced Mobile Phone System, đƣợc triển khai tại Mỹ - IS-95 (CDMA One): triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc * Thế hệ thứ 2 cải tiến – 2,5G Cho ra đời các dịch vụ số liệu cải tiến, phát triển từ nền GSM Các đặc điểm: - Tốc độ bit cao hơn - Hỗ trợ kết nối internet Phƣơng thức chuyển mạch: chuyển mạch gói Các dịch vụ điển hình: - GPRS – General Packet Radio Services: nâng cấp từ mạng GSM nhằm hỗ trợ chuyển mạch gói, với tốc độ truyền dẫn đạt 172kbps - EDGE – Enhanced Data Rate for GSM Evolution: hỗ trợ tốc độ bit cao hơn GPRS trên nền mạng GSM, tốc độ truyền dẫn đạt tới 384kbps * Thế hệ thứ 3 – 3G Hỗ trợ các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao và dịch vụ truy cập internet: - Di chuyển trên các phƣơng tiện: 144kbps (ô tế bào marco) - Đi bộ, di chuyển chậm: 384kbps (ô tế bào mico) - Văn phòng: 2Mbps (ô tế bào pico) Hai hƣớng triển khai cho mạng 3G: - W-CDMA (UTMS): Phát triển từ nền GSM/GPRS - CDMA 2000 1xEVDO: Phát triển từ nền CDMA One (IS-95) * Thế hệ thứ 4 – 4G Các đặc điểm: - Tốc độ cao (n*10Mbps) Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội - 11 - - Tăng cƣờng khả năng tích hợp theo các phƣơng diện: thiết bị đầu cuối, ứng dụng, và hạ tầng mạng trên nền giao thức IP. - Xu hƣớng kết hợp mạng lõi IP và mạng truy nhập di đông 3G, truy nhập vô tuyến Wimax & Wi-fi. 2.3. Lịch sử hình thành GSM [10] Năm 1982, Hội nghị các nhà lãnh đạo châu Âu về bƣu chính và viễn thông (CEPT), đã thành lập nhóm mang tên Group Special Mobile (GSM) để phát triển một tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động có thể sử dụng trên toàn châu Âu. Năm 1987, một hiệp ƣớc ghi nhớ đã đƣợc ký bởi 13 quốc gia để phát triển một hệ thống thông tin di động chung ở châu Âu. Cuối cùng, hệ thống đƣợc thiết kế bởi SINTEF – một tổ chức nghiên cứu độc lập hàng đầu tại Na-uy, do Torleiv Maseng điều hành đã đƣợc lựa chọn. Năm 1989, GSM đƣợc chuyển giao cho Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (European Telecommunications Standards Institute – ETSI), và giai đoạn 1 của các chỉ tiêu kỹ thuật GSM đƣợc công bố năm 1990. Một năm sau đó, mạng thông tin di động GSM đầu tiên trên thế giới đƣợc triển khai tại Phần Lan bởi nhà cung cấp dịch vụ di động Radiolinja, với sự liên kết về kỹ thuật hạ tầng với tập đoàn Ericsson. Đến cuối năm 1993, trên một triệu thuê bao sử dụng mạng điện thoại di động GSM, với khoảng 70 nhà cung cấp dịch vụ của 48 quốc gia trên toàn thế giới. Hiện nay GSM đang đƣợc quản lý và phát triển bởi Dự án đối tác thế hệ thứ 3 - 3rd Generation Partnership Project (3GPP). 2.4. Tổng quan về mạng thông tin di động số tế bào [9] Hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM là một mạng tế bào, điều đó có nghĩa là các trạm di động (Mobile Station – MS) kết nối tới mạng bằng cách tìm kiếm các trạm thu phát gốc (Base Transceiver Station – BTS) tƣơng ứng trong ô tế bào (cell) gần nhất. Có 5 kích thƣớc ô tế bào khác nhau trong mạng GSM: macro, micro, pico, femto, và umbrella. Phạm vi bao phủ của mỗi loại ô khác nhau, tùy theo môi trƣờng triển khai ứng dụng. Các ô macro là các ô tế bào nơi ăng-ten của trạm thu phát gốc đƣợc đặt trên các cột hay nóc tòa nhà cao tầng, cao hơn độ cao trung bình của mái nhà. Các ô micro là các ô tế bào tại nơi ăng-ten đƣợc đặt thấp hơn độ cao trung bình của mái nhà, thƣờng đƣợc sử dụng trong đô thị. Các ô Pico là các ô tế bào có đƣờng kính bao phủ khoảng vài chục mét, thƣờng đƣợc sử dụng trong nhà. Các ô Femto là các ô tế bào đƣợc thiết kế sử dụng cho nhà riêng hay phạm vi kinh doanh nhỏ, kết nối với mạng di động của nhà cung cấp qua kết nối Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội - 12 - internet băng thông rộng. Các ô umbrella là các ô tế bào sử dụng để bao phủ các vùng bóng, che khuất của các ô tế bào nhỏ hơn và lấp đầy các lỗ trống của các ô này. Bán kính ngang của các ô tế bào phụ thuộc vào chiều cao ăng-ten, độ khuếch đại của ăng-ten và điều kiện lan truyền sóng, từ 1 vài trăm mét cho tới vài chục kilomet. Khoảng cách tối đa mà chuẩn GSM hỗ trợ là 35km. 2.5. Giao diện vô tuyến [9] Mạng lƣới GSM hoạt động trên một số các dải tần số khác nhau. Hầu hết các mạng GSM thế hệ thứ 2 (2G) hoạt động trên dải tần 900MHz và 1800MHz. Một số nƣớc ở châu Mỹ bao gồm Canada và Hoa Kỳ sử dụng bằng tần 850MHz và 1900MHz vì cả hai bằng tần 900MHz và 1800MHz đã đƣợc sử dụng. Hầu hết các mạng GSM thế hệ thứ 3 (3G) triển khai tại châu Âu hoạt động trên băng tần 2100MHz. Ngoài ra, một số quốc gia sử dụng một số băng tần ít sử dụng 400MHz và 450MHz khi mà các băng tần trên đã đƣợc cấp cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G. T-GSM-380 Băng tần 380 Uplink (MHz) 380,2–389,8 Downlink (MHz) 390,2–399,8 Động T-GSM-410 GSM-450 GSM-480 GSM-710 GSM-750 T-GSM-810 GSM-850 P-GSM-900 E-GSM-900 R-GSM-900 T-GSM-900 DCS-1800 PCS-1900 410 450 480 710 750 810 850 900 900 900 900 1800 1900 410,2–419,8 450,4–457,6 478,8–486,0 698,0–716,0 747,0–762,0 806,0–821,0 824,0–849,0 890,0–915,0 880,0–915,0 876,0–915,0 870,4–876,0 1710,0–1785,0 1850,0–1910,0 420,2–429,8 460,4–467,6 488,8–496,0 728,0–746,0 777,0–792,0 851,0–866,0 869,0–894,0 935,0–960,0 925,0–960,0 921,0–960,0 915,4–921,0 1805,0–1880,0 1930,0–1990,0 Động 259–293 306–340 Động 438–511 Động 128–251 1–124 975–1023, 0-124 955–1023, 0-124 Động 512–885 512–810 Hệ thống     Số kênh P-GSM, GSM-900 chuẩn E-GSM, GSM-900 mở rộng, bao gồm GSM-900 R-GSM, Railways GSM-bao gồm GSM-900 chuẩn và GSM-900 mở rộng T-GSM, TETRA-GSM Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội - 13 - Băng tần GSM-900 sử dụng dải tần số từ 890MHz – 915MHz để truyền thông tin từ MS tới BTS (uplink) và 935MHz – 960MHz cho hƣớng truyền từ BTS tới MS (downlink), chia thành 124 kênh tần số (đánh số từ 1-124), mỗi kênh cách nhau một khoảng 200KHz. Ở một số nơi, GSM-900 đƣợc mở rộng để có thể sử dụng băng tần số lớn hơn. Gọi là E-GSM, sử dụng dải tần số 880 – 915MHz (uplink) và 925 – 960MHz (downlink), cho phép tăng thêm 50 kênh (từ kênh số 975 – 1023 và 0) so với GSM-900. Băng tần GSM-1800 sử dụng dải tần 1710MHz – 1785MHz để truyền thông tin từ MS tới BTS (uplink) và 1805MHz – 1880MHz để truyền thông tin từ BTS tới MS (downlink), chia thành 374 kênh (đánh số từ 512 tới tới 885). Băng tần GSM-850 và GSM-1900 đƣợc sử dụng tại Mỹ, Canada, Úc, và các nƣớc châu Mỹ khác. GSM-850 sử dụng dải tần từ 824MHz – 849MHz để truyền thông tin từ MS tới BTS (uplink) và 869MHz – 894MHz cho chiều ngƣợc lại (uplink). Có tổng cộng 124 kênh đánh số từ 128 tới 251. GSM-1900 sử dụng dải tần 1850MHz – 1910MHz cho hƣớng uplink và 1930MHz – 1990MHz cho hƣớng downlink, chia thành 299 kênh, đánh số từ 512 tới 810. Công suất phát lớn nhất của trạm di động MS ở băng tần GSM-900/GSM1800 là 1W và GSM-850/GSM-1900 là 2W. 2.6. Kiến trúc mạng GSM [9] Hình 2.1: Kiến trúc mạng GSM Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội - 14 - Mạng GSM khá lớn và phức tạp để đáp ứng đầy đủ các dịch vụ cho khách hàng, và đƣợc chia thành các phần nhƣ sau: - Phân hệ chuyển mạch NSS: Network Switching SubSystem - Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem - Phân hệ vận hành và bảo dƣỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystem  Trạm di động MS - Mobile Station Hình 2.2: Trạm di động MS Trạm di động MS = ME + SIM  ME: Mobile Equipment Thiết bị di động. Bao gồm phần cứng và phần mềm. Mỗi thiết bị di động đƣợc gắn liền với một số nhận dạng thiết bị di động (IMEI - International Mobile Equipment Identity) duy nhất do nhà sản xuất đăng ký. 6 chữ số Type Approval Code IMEI 2 chữ số Final Assembly Code 6 chữ số 1 chữ số Serial Number SP  SIM: Subcriber Indentity Module Môđun nhận dạng thuê bao. Lƣu giữ các thông tin nhận thực thuê bao, mật mã hóa và giải mật mã hóa. Các thông tin lƣu trong SIM gồm có: - Các số nhận dạng IMSI, TMSI - Khóa nhận thực Ki - Khóa mật mã Kc - Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area ID) - Danh sách các tần số lân cận Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội - 15 - Số nhận dạng IMSI: International Mobile Subscriber Identity – Số nhận dạng MS bởi hệ thống, phục vụ báo hiệu và điều khiển. 3 chữ số Mobile Country Code (MCC) 2 chữ số Mobile Network Code (MNC) tới 10 chữ số Mobile Subscriber Identification Code (MSIC) IMSI Số nhận dạng MSISDN: Mobile Station ISDN Code – Mã số danh bạ, đƣợc nhận dạng bởi thuê bao, phục vụ quá trình thiết lập cuộc gọi. Country Code (CC) National Destination Code (NDC) Subscriber Number (SN) MSISDN Số nhận dạng IMSI và MSISDN của một số nhà cung cấp dịch vụ mạng di động tại Việt Nam: MCC MNC MSIC 452 Việt Nam 01 MobiFone N/A 452 Việt Nam 02 VinaPhone N/A 452 Việt Nam 04 Viettel N/A MSISDN CC NDC SN 84 Việt Nam 90 MobiFone N/A 84 Việt Nam 91 VinaPhone N/A 84 Việt Nam 98 Viettel N/A MSISDN Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội - 16 - Số nhận dạng TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity – Số nhận dạng thuê bao tạm thời, có cấu trúc tối đa là 32 bit. TMSI đƣợc bộ ghi định vị VLR cấp phát cho MS, cho phép nhận dạng duy nhất 1 MS trong vùng điều khiển của một VLR.  Các phân hệ của mạng GSM Hình 2.3: Các phân hệ của mạng SM BSS MSC TRAU BSC BTS BTS BTS BSS TRAU BSC +BTS + hệ trạm gốc BSS Hình = 2.4: Phân a) Phân hệ trạm gốc BSS = TRAU + BSC + BTS BTS kết nối với NSS thông qua luồng cơ sở PCM 2Mbps BSC - Base Station Controller: Bộ điều khiển trạm gốc - Điều khiển một số trạm BTS, xử lý các tin báo hiệu, vận hành và bảo dƣỡng đi/ đến BTS - Khởi tạo kết nối - Điều khiển chuyển giao - Kết nối đến MSC, BTS và OMC Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội - 17 - TRAU: Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ BTS: Trạm thu phát gốc LPC: 13 Kbps + Header: 3 Kbps PCM: 64 Kbps 1 TS (64Kbps)  4 kênh (16Kbps) MSC Chuyển đổi mã 2 1 3 4 1 1 TS  1 kênh thoại: 64Kbps Tốc độ 1 kênh thoại: 16Kbps MUX 1 BSC Ghép kênh: 4*(3+13) = 64 Kbps Hình 2.5: Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ TRAU - Thu phát vô tuyến - Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý - Mã hóa/ Giải mã hóa - Mật mã hóa/ Giải mật mã hóa - Điều chế/ Giải điều chế b) Phân hệ chuyển mạch NSS Hình 2.6: Hệ chuyển mạch NSS Tổng đài di động (MSC) - Xử lý cuộc gọi - Điều khiển chuyển giao - Quản lý di động - Xử lý tính cƣớc - Tƣơng tác mạng Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội - 18 - Bộ định vị thƣờng trú (HLR): là cơ sở dữ liệu tham chiếu, lƣu giữ thông tin các thuê bao lâu dài. - Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN - Các thông tin về thuê bao - Danh sách dịch vụ MS đƣợc/không đƣợc phép sử dụng - Số hiệu VLR đang phục vụ MS Bộ định vị tạm trú (VLR): Là cơ sở dữ liệu trung gian, lƣu trữ tạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/ VLR đƣợc tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR. - Các số nhận dạng IMSI, MSISDN, TMSI. - Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS - Danh sách dịch vụ MS đƣợc/ không đƣợc phép sử dụng - Trạng thái của MS (bận/ rỗi) Trung tâm nhận thực (AuC): là cơ sở dữ liệu lƣu giữ mã khóa cá nhân Ki của các thuê bao và tạo ra bộ ba tham số nhận thực: RAND, Kc, SRES khi HLR yêu cầu để tiến hành nhận thực thuê bao. Khối nhận dạng thiết bị (EIR): là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của thiết bị di động ME qua số IMEI. Có 3 phân loại thiết bị dựa trên số IMEI: - Danh sách trắng: ME đủ điều kiện - Danh sách đen: ME bị đánh cắp - Danh sách xám: ME lỗi hoặc không đáp ứng các tiêu chuẩn GSM hiện tại c) Phân hệ vận hành và bảo dƣỡng OMS Các thành phần của phân hệ NSS và BSS (BSC, BTS, TRAU) đƣợc điều hành, theo dõi và bảo dƣỡng tập trung thông qua phân hệ OMS. OMS có thể bao gồm 1 hoặc nhiều trung tâm bảo dƣỡng OMC – Operation & Maintenance Center. Trung tâm bảo dƣỡng OMC có các thiết bị đầu cuối vận hành và bảo dƣỡng OMT (Operation and Maintenance Terminal) cho phép thao tác các lệnh can thiệp tới hệ thống và các OMT này kết nối thông qua mạng cục bộ LAN. Chức năng OMC: - Quản lý cảnh báo - Quản lý lỗi - Quản lý chất lƣợng - Quản lý cấu hình - Quản lý bảo mật Giao tiếp với GSM Hoàng Thế Long K15Đ2. ĐHCN, ĐHQG Hà Nội