Khóa luận Công nghệ GPRS cho thế hệ thông tin 2.5G

90 trang ngocly 100

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Công nghệ GPRS cho thế hệ thông tin 2.5G", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

khoa_luan_cong_nghe_gprs_cho_the_he_thong_tin_2_5g.pdf

Nội dung text: Khóa luận Công nghệ GPRS cho thế hệ thông tin 2.5G

ĐẠI HỌC QU ỐC GIA HÀ N ỘI TR ƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Văn Ngọc CÔNG NGH Ệ GPRS CHO TH Ế H Ệ THÔNG TIN 2.5G KHOÁ LU ẬN TỐT NGHI ỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành: Điện Tử - Vi ễn Thông HÀ N ỘI-2005
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN ĐẠI HỌC QU ỐC GIA HÀ N ỘI TR ƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Văn Ngọc CÔNG NGH Ệ GPRS CHO TH Ế H Ệ THÔNG TIN 2.5G KHOÁ LU ẬN TỐT NGHI ỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành: Viễn Thông Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Nguy ễn Vi ết Kính HÀ N ỘI-2005 b
TÓM TẮT KHÓA LU ẬN Trong khóa l uận này trình bày một cách tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 2G GSM và mạng thông tin 2.5G GPRS. Một số cấu trúc mạng của cả hai thế hệ thống thông tin di động có ph ần giống nhau và khác nhau về một số cấu trúc cơ bản, ngoài ra cũng có các ph ần khác nhau giữa các ph ần tử trong mạng để phù hợp với yêu cầu truy ền dữ li ệu gói trong mạng GPRS. Các giao di ện trong mạng và cấu trúc các kênh logic và kênh vật lý trong mạng để có thể sử dụng chung ở hai mạng. Trong mạng GPRS các máy di động có thể được phân thành các nhóm và kiểu khác ph ụ thuộc vào loại máy để có thể truy cập dữ li ệu tốc độ cao hơn và kh ả năng vừa thực hi ện truy ền nh ận dữ li ệu và kết hợp với khả năng thực hi ện tho ại cùng một lúc tùy thuộc vào từng loại máy. Ngoài ra một số giải pháp để nâng cấp cơ sở hạ tầng mạng GSM sẵn có lên mạng GPRS. Cuối cùng là mô hình của một quá trình truy ền dẫn và một số kết quả đánh giá khi truy ền một khung dữ li ệu gói trên kênh truyền AWGN với các thông số của kênh là khác nhau.
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN MỤC LỤC DANH MỤC CH Ữ VI ẾT TẮT .i MỞ ĐẦU 1 Chươ ng 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2 1.1. Những đặc th ù c ủa thông tin di động 2 1.2. Lịch s ử phát triển c ủa thông tin di động 3 1.3. Đặc điểm của thông tin di động GSM 4 1.4. Cấu trúc hệ thống GSM 5 1.4 .1. Cấu trúc và ch ức năng hệ t hống con chuy ển mạch – SS 6 1.4 .2. Cấu trúc và ch ức năng c ủa hệ t hống con tr ạm gốc – BSS 8 1.4 .3. Tr ạm di động – MS 10 1.4 .4. Hệ t hống con khai thác và hỗ tr ợ - OS S 11 1.5. Cấu h ình kênh trên giao d iện vô tuy ến 11 1.5 .1. Kênh vật lý 11 1.5 .2. Kênh log ic 12 1.6. Gi ao d iện trong mạng GSM 13 1.6 .1. Giao di ện giữa các ph ần tử mạng 14 1.6 .2. Giao di ện ngo ại vi 16 1.7. Các tr ường h ợp thông tin trong mạng GSM 17 1.7 .1. Các MS t ắt máy ở ngo ài vùng phục vụ 17 1.7 .2. MS b ật máy, tr ạng thái máy rỗi 17 1.7 .3. MS b ận 17 1.7 .4. Cập nh ật vị trí 17 1.7 .5. T hủ tục nhập mạng và đăng ký ban đầu 17 1.7 .6. T hủ tục r ời mạng 18 a
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 1.8. Các tr ường h ợp cuộc gọi trong GSM 18 1.8 .1. Cuộc gọi t ừ MS 18 1.8 .2. Cuộc gọi đếm MS 18 1.9. Ch uyển giao 19 1.9 .1. Chuy ển giao g iữa hai ô th uộc cùng một BSC 20 1.9 .2. Chuy ển giao g iữa hai ô th uộc hai BSC khác nh au 21 1.9 .3. Chuy ển giao g iữa hai ô th uộc hai t ổng đài (MSC) khác nhau 22 Chươ ng 2: CÔNG NG HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 2 .5G 24 2.1. Tổng quan về GPRS 24 2.2. Cấu trúc mạng GPRS và các giao thức 26 2.2 .1. Thi ết bị đầu cuối – TE 29 2.2 .2. Đầu cuối di động – MT 29 2.2 .3. Tr ạm di động – MS 29 2.2 .4. Hệ t hống tr ạm gốc – BSS 30 2.2 .5. Bộ đăng ký định vị t hường trú – HL R 30 2.2 .6. Nút hỗ tr ợ dịch vụ chuyển mạch gói di động – SGS N 31 2.2 .7. Nút hỗ tr ợ chuy ển mạch gói di động c ổng – GGSN 32 2.2 .8. Cổng đường bi ên – BG 33 2.2 .9. Đơn vị ki ểm soát gói - PCU 33 2.2 .10. Trung tâm chuy ển mạch di động /bộ đăng ký t ạm trú – MSC /VL R 34 2.2 .11. Trung tâm nhận t hực – AU C 34 2.2 .12. S MS – GMSC và S MS – IWM SC 35 2.2 .13. Th anh ghi nhận dạng thi ết bị – EIR 35 2.3. Các giao di ện trong mạng GPRS 35 2.4. Chất l ượng dịch vụ GPRS 37 b
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 2.4 .1. Cơ sở dữ li ệu c ủa thuê bao 37 2.4 .2. Chất l ượng dịch vụ (QoS) 38 2.5. Mạng vô tuy ến GPRS 40 2.5 .1. Đa truy cập và phân chia tài nguyên vô tuy ến 40 2.5 .2. Kênh vật lý 41 2.5 .3. Kênh logic 42 2.5 .4. Ánh xạ các k ênh logic d ữ li ệu gói v ào trong các k ênh vật lý 46 2.5 .5. Mã hoá k ênh 47 2.6. Quản lý di động GPRS 50 2.6 .1. Các tr ạng thái của tr ạm di động 50 2.6 .2. Quản lý vị trí tr ạm di động 51 2.6 .3. T hủ tục nhập mạng (Attach) 56 2.6 .4. T hủ tục r ời mạng 57 2.6 .5. Kích h oạt giao t hức dữ li ệu gói – PDP . 59 2.7. Đặc tính truy ền t ải v à hi ệu chỉnh công su ất phát 59 Chươ ng 3: GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI MẠNG GPRS TRONG GSM 62 3.1. Gi ải pháp trên mạng Mobifone ti ến lên 2.5G 62 3.1 .1. Phần vô tu yến 63 3.1 .2. Phần chu yển mạch 63 3.1 .3. Số li ệu tr iển kh ai mạng Mobifon e 65 3.2. Các ứng d ụng của mạng GPRS 66 Chươ ng 4 M ột số kết quả thực nghi ệm đư a ra trong quá trình mô ph ỏng th ực ti ễn 67 4.1. ch ức năng các khối trong sơ đồ khối 67 4.2. Một số kết quả được thực hi ện khi truy ền qua kênh truy ền 70 KẾT LU ẬN VÀ ĐỀ XUẤT 72 LỜI CẢM ƠN 73 c
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN PHỤ LỤC 74 DANH SÁCH CÁC BẢNG 74 DANH SÁCH CÁC HÌNH 74 TÀI LI ỆU THAM KH ẢO 76 TÀI LI ỆU THAM KH ẢO 76 d
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN DANH MỤC CH Ữ VI ẾT T ẮT 2G 2snd Generation Công ngh ệ thông tin di động t hế hệ 2 2.5G 2.5 Generation Công ng hệ thông tin di động t hế hệ 2.5 π/4DQPSK π/4 Differential Quaternary Phase Khoá dịch pha vi phân bốn ph ần Shift Keying A A Interface Giao d iện A giữa MSC và BSC A-bis A-bis Interface Giao di ện A -bis g iữa BSC và BTS APN Access Point Name Tên điểm truy nh ập AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ t hống thông tin di động tương t ự phổ bi ến ở B ắc M ỹ AN Access Networ k Mạng truy nh ập AUC Authentication Center Trung tâm nhận t hực BCH Broadcast Channel Kênh qu ảng bá BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều kh iển qu ảng bá BER Bit Error Rate Tỷ l ệ l ỗi bit BG Border Gateway Cổng đư ờng biên BGw Billing Gate way Cổng tính cước BSC Base Station Controller Bộ điều kh iển tr ạm gốc BSS Base Station Subsystem Phân h ệ tr ạm gốc i
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN BSSGP BSS GPRS Protocol Giao t hức giao t iếp giữa GPRS và BSS BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc CCITT International Telegraph Telephone Uỷ ban t ư vấn qu ốc t ế về điện Consultative Committee thoại và điện báo CCH Control Channel Kênh chung CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CDR Call Detail Record Bản ghi chi ti ết c uộc gọi CRC Cyclic Redundancy Check Mã k iểm tr a dư t hừa vòng CS Coding Sche me Sơ đồ mã hóa CCS N07 Co mm on Channel Signalling N 07 Mạng báo h iệu k ênh chung số 7 EIR Equipmen t Indentity Resistor Bộ ghi n hận dạng th iết bị ETSI European Telecommunicatión Vi ện ti êu chu ẩn viễn thông châu Standard Institute Âu FDMA Frequency Division Multiple Đa truy nh ập phân chia tần s ố Access FACCH Fast Associated Control Channel Kênh điều kh iển li ên k ết nhanh FCCH Frequency Correction Channel Kênh h iệu c hỉnh t ần s ố FR Full Rate Kênh toàn t ốc Gb Gb Interface Giao di ện giữa SGSN và BSC Gc Gc Interface Giao d iện giữa GGSN và HLR Gd Gd Interface Giao di ện giữa SGSN và SMSC Gf Gf Interface Giao d iện giữa SGSN và EIR ii
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ tr ợ GPRS cổng Gl Gl Interface Giao di ện giữa GGSN và m ạng dữ li ệu bên ngoài Gn Gn Interface Giao di ện giữa hai GSN trong cùng một mạng PLMN Gp Gp Interface Giao di ện giữa hai GSN ở hai mạng PLMN khác nhau GoS Grade of Service Cấp độ dịch vụ GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tu yến gói chung GSM Group Spec ial Mobile/Global Hệ t hống thông tin di động toàn System Mobile cầu GSN GPRS Support Node Nút hỗ tr ợ GPRS GTP GPRS Tunneling Protocol Giao t hức đư ờng hầm GPRS HLR Ho me Location Registor Bộ ghi định vị t hường trú HO handOver Chu yển giao HR Ha lf Rate Kênh bán tốc HSCSD High Speed Circuit Switch Data Tru yền s ố li ệu chuy ển mạch kênh tốc độ cao Ki Subcriber authentication Key Khóa nh ận t hực thuê bao Kc Ciphering Key Khoá mật mã IMEI International Mobile Equipment Nhận dạng t rạm di động qu ỗc t ế Indentity IMSI International Mobile Station Nhận dạng tr ạm di động qu ốc t ế Indentity iii
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN IN Intelligent Network Mạng thôn g minh IP Internet Protocol Giao t hức Internet ISDN Integrated Serviced Digital Mạng s ố hoá đa dịch vụ Network ISP Internet Service Provicer Nhà cung c ấp dịch vụ Internet ITU International Telecommunication Liên đoàn v iễn thông qu ốc t ế Union LA Location Area Vùng định vị LAI Location Area Identity Nhận dạng vùn g định vị LAN Local Area Network Mạng c ục bộ LLC Logical Link Control Điều kh iển li ên k ết logic MAC Medium Access Control Điều kh iển truy nh ập chung MAP Medium Application Part Ph ần ứng dụng di động ME Mobile Equip ment Thi ết bị di động MM Mobile Manage ment Quản lý di động MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobile Switching Center Trung tâm chu yển mạch di động OMC Operation & Mainten ance Center Trung tâm vận h ành và khai thác OSS Opera tion and Support Subsystem Phân h ệ khai thác v à hỗ tr ợ PACCH Packet Associated Control Kênh điều kh iển kết hợp gói Channel PAGCH Packet Access Grant Channel Kênh cung c ấp truy cập gói iv
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN PBCCH Packet Broadcast Control Channel Kênh điều kh iển qu ảng bá gói PCCCH Packet Common Control Channel Kênh điều kh iển chung gói PCH Packet Channel Kênh tìm gọi PCM Pulse Code Modulation Điều c hế xung mã PCU Packe t Control Unit Đơn vị ki ểm soát gói PDCH Packet Data Channel Kênh dữ li ệu gói PDN Packet Data Network Mạng dữ li ệu gói PDP Packet Data Protocol Giao t hức dữ li ệu gói PDTCH Packet Data Traffic Channel Kênh l ưu l ượng dữ li ệu gói PLMN Public No tification Channel Kênh thông báo gói PPCH Packet Paging Channel Kênh tìm gọi gói PPP Point to Point Protocol Giao t hức điểm điểm PRACH Packet Random Access Channel Kênh truy n hập ng ẫu nhi ên gói PSC Personal Co mm unication Services Dịch vụ truy ền thông cá nhân PSPDN Packet Switched Public Data Mạng dữ li ệu công cộng chuy ển Network mạch gói PSTN Public Switched Telephone Mạng điện tho ại công c ộng Network PTCCH Packet Ti ming Advance Control Kênh điều kh iển đồng bộ gói Channel P-TMSI Pac ket -Temporary Mobile Số n hận dạng thu ê bao di động Subcriber Indentity tạm thời gói QoS Quality of Service Chất l ượng dịch vụ v
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN RA Routing Area Vùng định tuy ến RACH Random Access Channel Kênh truy n hập ng ẫu nhi ên RF Radio Frequency Tần s ố vô tu yến RLC Radio Link Control Điều kh iển li ên k ết vô tu yến SACCH Slow Associated Control Channel Kênh điều kh iển li ên k ết c hậm SAP Service Access Point Điểm tr uy nh ập dịch vụ SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ SCCP Signalling Connection Control Phần điều kh iển kết nối báo Part hiệu SDCCH Stand alone Dedicated Control Kênh điều kh iển d ành riêng Channel SIM Subcriber Indentity Module Module n hận dạng thu ê bao SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ tr ợ GPRS dịch vụ SMPP Short Message Peer to Peer Giao t hức k ết nối SMS điểm protocol SMS – Short Message Service Dịch vụ bản tin ng ắn IWMSC SMSC Short Message Service Center Trung tâm dịch vụ bản tin ng ắn TDM Time Division Multiplexing Phân kênh theo th ời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nh ập phân chia theo thời gian TCH Traffic Channel Kênh l ưu l ượng TE Ter minal Equi ment Thi ết bị đầu c uối vi
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN TMSI Te mporary Mobile Subcriber nh ận t hực thuê bao di động t ạm Indentity thời TRAU Transcoder and Rate Adaptor Unit Khối chuy ển đổi mã thích ứng tốc độ TRx Transceiver unit Kh ối thu phát UDP User datagram Protocol Giao t hức dữ li ệu ng ười dùng Um Um interface Giao d iện giữa MS và BTS USDC US Digital Cellular Tế b ào s ố ở Úc VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị t ạm trú VPN Virtual Private Network Mạng ri êng ảo WAN Wire Area Network Mạng diện r ộng WAP Wireless Application Protocol Giao t hức ứng dụng khôn g dây vii
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN MỞ ĐẦ U Từ khi ra đời, mạng thông tin di động GSM đã góp phần đáng kể trong việc thúc đẩy sự phát tri ển mạnh mẽ của thị tr ường thông tin di động trên th ế giới. Nh ưng cũng nh ư các công ngh ệ khác, sau gần 20 năm phát tri ển, thông tin di động thế hệ 2 đã bắt đầu bộc lộ nh ững khiếm quy ết của nó khi nhu cầu dịch vụ truyền số li ệu và các dịch vụ băng rộng ngày càng tăng. Tình trạng phát triển các mạng di động thế hệ th ứ hai đã phát sinh ra một lo ạt các vấn đề cần ph ải gi ải quyết như ph ổ tần bị hạn chế, chuyển vùng ph ức tạp, lãng phí tài nguyên vô tuy ến , nhược điểm cơ bản của của GSM là chuyển mạch kênh do đó nó không thích ứng được với các dịch vụ truy ền số li ệu tốc độ cao, sự lãng phí tài nguyên vô tuy ến do một kênh luôn mở ngay cả khi không có lưu lượng được truy ền tải. Sự phát tri ển của mạng Internet khi đó thông tin di động cũng đòi hỏi kh ả năng hỗ tr ợ truy cập Internet và th ực hi ện thương mại điện tử di động. Tr ước tình hình đó, việc chuyển sang sử dụng hệ thống thông tin di động thế hệ 3 là quá trình tất yếu. Tuy nhiên cho đến nay ch ưa thể thực hi ện được do vi ệc chi phí quá lớn khi thực hiện chuy ển từ mạng thông tin di động thế hệ 2 sang th ế hệ 3 mà cần ph ải có một th ời gian quá độ có thể chấp nh ận được từ phía nhà sản xu ất, nhà khai thác và khách hàng. Đó chính là công nghệ thế hệ 2+ và tiêu biểu cho nó là dịch vụ vô tuy ến gói chung GPRS. GPRS có thể kh ắc phục được những nh ược điểm của mạng GSM đồng thời cho phép sử dụng cơ sở hạ tầng mạng GSM. Trong mạng GPRS tài nguyên vô tuy ến được sử dụng hiệu qu ả hơn khi kênh truy ền chỉ ph ải phục vụ khi thực sự có dữ li ệu cần phát ho ặc thu. Tốc độ tối đa có thể đạt được theo lý thuy ết là 171.2 kbps với điều kiện sử dụng c ả 8 TS và truyền không s ửa l ỗi. Khi tri ển khai GPRS trên cơ sở hạ tầng mạng GSM. Vi ệc nghiên cứu ảnh hưởng khi tri ển khai dịch vụ mạng GPRS với dung lượng tho ại trên mạng GSM là rất cần thiết và một số gi ải pháp thay đổi phù hợp với mạng GPRS. 1
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Ch ương 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1. Nh ững đặc thù của thông tin di động Nói đến thông tin di động là chúng ta nói đến liên lạc thông qua sóng điện từ (vì vậy chúng ta mới vừa liên lạc vừa di chuy ển được, cho tới ngày nay loài ng ười chưa tìm ra môi trường truy ền khác ưu việt hơn so với sóng điện từ). Sóng điện từ mới được đư a vào sử dụng trong thông tin liên lạc gần 100 năm cho đến gần 30 năm nay thì thông tin di động mới th ực sự phát tri ển và kết nối toàn thế gi ới. Để làm rõ điều này chúng ta th ực hi ện phép tính nh ư sau: Mỗi cuộc liên lạc gi ữa 2 ng ười cần một đường truy ền độc lập (gọi là kênh vô tuy ến), mỗi kênh giả sử có dải thông 3kHz (3.103 Hz ứng với dải thông của ti ếng nói, thực tế dải thông của ti ếng nói nhiều hơn), dải tần số vô tuy ến là 3GHz (3.109Hz) chỉ cho phép 3.109/3.103 = 106 người sử dụng cùng một lúc, vậy làm th ế nào để ph ục vụ hàng chục tri ệu ng ười sử dụng cùng một lúc, trong khi dải tần 3GHz còn dùng cho rất nhi ều các việc khác như: Phát thanh truy ền hình, trong quân đội, nghiên c ứu khoa học , do đó dải t ần dành cho thông tin di động chỉ là một phần nh ỏ. Một trong các ph ương pháp để giải quyết vấn đề nhiều ng ười dùng độc lập trên một dải tần vô tuy ến hạn chế đó là: Một cuộc liên lạc di động này có th ể sử dụng lại tần số của một cuộc liên lạc di động khác với điều kiện hai cuộc liên lạc này ph ải ở đủ xa nhau về khoảng cách vật lý để sóng truyền đến nhau nh ỏ hơn sóng truy ền của hai người trong cu ộc liên lạc, do vậy để thích hợp với vi ệc quản lý một địa bàn có dịch vụ thông tin di động ph ải chia nó thành các ph ần nh ỏ, gọi là tế bào. Hai người sử dụng ở tế bào đủ cách xa nhau có th ể sử dụng lại cùng một tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý của một tr ạm trung tâm của tế bào, về lý thuy ết kích cỡ tế bào là rất nhỏ, công suất thu phát trong tế bào được khống chế (để không làm phiền đến tế bào khác) do đó có th ể ph ục vụ vô số ng ười sử dụng di động cùng một lúc trong khi dải tần số vô tuy ến bị hạn chế. Phương pháp này gọi là sử dụng lại tần số bằng cách chia nhỏ vùng ph ục vụ thành các t ế bào. Tóm lại những đặc thù cơ bản của thông tin di động là: Ph ục vụ đa truy cập và gắn li ền với thi ết kế mạng tế bào, hệ qu ả tất yếu liên quan vấn đề này là ch ống nhiễu, chuy ển giao, qu ản lý di động, qu ản lý tài nguyên, nh ững yếu tố này khác rất nhi ều so với thông tin c ố định và luôn luôn đòi hỏi những công nghệ mới. 2
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 1.2. Lịch sử phát tri ển của thông tin di động Để tìm hiểu toàn cảnh lịch sử phát tri ển của thông tin di động chúng ta điểm lại một số mốc thời gian phát tri ển c ủa thông tin di động. Năm 1946 dịch vụ điện tho ại di động công cộng được gi ới thi ệu lần đầu tiên tại 25 thành ph ố ở Mĩ. Mỗi hệ thống dùng một bộ phát công suất lớn đặt trên anten cao phủ sóng với bán kính 50km, kỹ thuật bán song công “ấn nút để nói chuy ện”, với độ rộng kênh truy ền 120kHz (m ặc dù băng tần ti ếng nói chỉ 3kHz). Đây chưa phải là hệ thống tế bào vì t ần s ố chưa được sử dụng l ại và s ố người sử dụng ít. Năm 1950 cũng hệ thống đó nh ưng độ rộng kênh được thu hẹp còn 60kHz do đó số l ượng ng ười sử dụng đã t ăng gấp đôi. Đến năm 1960 độ r ộng kênh chỉ còn 30kHz. Những năm 1950-1960 lý thuy ết mạng tế bào ra đời (do AT&T đư a ra dự án điện tho ại t ế bào đến năm 1968) tuy nhiên công nghệ điện t ử lúc đó chưa áp ứng được. Đến năm 1976: Ra đời dịch vụ thông tin di động cải ti ến (AMPS) đánh dấu sự ra đời điện tho ại di động tế bào th ế hệ 1. FCC đã phân 40MHz phổ trên kho ảng tần 800MHz cho dịch vụ này ( ứng với 660 kênh kép hay kênh song công). Đến năm 1989 FCC phân thêm 10MHz ph ổ cho hệ thống AMPS. Hệ thống điện thoại tế bào ho ạt động trong môi tr ường hạn chế giao thoa, dùng lại tần số, đa truy cập phân chia theo t ần s ố (FDMA) để t ăng s ố l ượng ng ười sủ dụng. Tiếp đó năm 1991: ra đời hệ thống tế bào số theo chu ẩn tạm thời IS-54 hỗ tr ợ 3 ng ười sử dụng trên một kênh truy ền 30kHz với vi ệc sử dụng kĩ thuật điều chế П/4DQPSK, với kỹ thuật nén ti ếng nói và sử lý tín hiệu ra đời có thể tăng dung lượng sử dụng lên 6 lần. Kết hợp với kỹ thuật TDMA và hệ thống này tồn tại song song với AMPS trên cùng c ơ s ở hạ t ầng, đây đựơc gọi là sự ra đời c ủa thông tin di động thế hệ 2. Cùng năm đó thì hệ thống dựa trên kỹ thuật tr ải phổ được phát tri ển bởi công ty Qualcomm tuân theo chuẩn tạm thời IS – 95, nó hỗ tr ợ nhiều ng ười sử dụng trên 1 dải tần 1.25MHz sử dụng công nghệ đa truy cập theo mã (CDMA) nếu AMPS yêu cầu SNR > 18 dB thì CDMA lại yêu cầu SNR thấp hơn lại cho dung lượng cao hơn. Ngoài ra bộ mã hoá ti ếng nói với tốc độ thay đổi có thể phát hi ện ti ếng nói khi đàm tho ại khi đó sẽ điều khiển bộ phát chỉ phát sóng khi đàm tho ại và sẽ làm giảm môi trường giao thoa và ti ết ki ệm pin. 3
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Do đó vấn đề tích hợp các mạng trong một cơ sở hạ tầng cũng đư ợc đặt ra từ đầu nh ững năm 1990. Năm 1991 hệ thống thông tin di động GSM ở châu Âu bắt đầu được đư a vào sử dụng và được bi ết như hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 đang được phát tri ển mạnh và Việt Nam đã chọn hệ di động GSM cho mạng di động qu ốc gia. Năm 1993 mạng di động Mobifone theo chuẩn GSM được đư a vào ho ạt động và khai thác do công ty VMS qu ản lý, đến năm 1996 mạng Vinaphone tuân theo chu ẩn GSM do công ty GPC quản lý và khai thác c ũng đư a vào ho ạt động song song v ới mạng Mobifone. Từ năm 1995 chính ph ủ Mĩ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800/2100MHz hứa hẹn s ự phát tri ển mới cho các d ịch vụ thông tin cá nhân (PCS). Năm 2000 tổ chức vi ễn thông qu ốc tế ITU đã thống nh ất một số hướng và chu ẩn hóa. 1.3. Đặc điểm của thông t in di động GSM Một số khuy ến ngh ị của CCITT cho mạng thông tin di động GSM có những đặc điểm chính nh ư sau: - Có nhi ều loại hình dịch vụ chất lượng cao và tiện ích trong thông tin th oại và số li ệu. - Sự tương thích các dịch vụ trong mạng GSM với các dịch vụ của mạng chuy ển mạch công cộng PSTN, mạng số li ệu đa dịch vụ ISDN, nh ờ các giao diện đã chuẩn hoá theo một chuẩn chung. - Tự động định vị và c ập nh ật vị trí. - Độ linh ho ạt cao nh ờ sử dụng các thiết bị đầu cuối di động khác nhau: Như máy xách tay, máy g ắn trên ô tô, máy cầm tay. - Sử dụng băng tần 900MHz có hiệu qu ả cao nh ờ sự kết hợp cả hai kỹ thuật TDMA và FDMA. - Dễ dàng thích ứng với nhu cầu ngày càng tăng của dung lượng, dễ nâng cấp và mở r ộng mạng nh ờ kế hoạch s ử dụng l ại t ần s ố. - Tính bảo mật cao, chống lại sự sử dụng trái phép đảm bảo tính cá nhân cho từng thuê bao. 4
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN - Nhảy tần không liên tục chu yển giao bên trong ô và điều chỉnh tự động công suất phát của BTS và các ch ức năng để giảm mức nhi ễu giao thoa cùng biểu tượng. 1.4. Cấu trúc hệ th ống GSM Hệ thống GSM có c ấu trúc tổng quát như hình 1 – 1 ISDN SS AUC PSPDN VLR HLR EIR CSPDN PSTN MSC PLMN A OSS BSS BSC Abis BTS BTS BTS Um MS Hình 1 – 1: T ổng quan h ệ t hống GSM Trong đó: SS: Hệ thống con chuy ển mạch AUC: Trung tâm nh ận thực HLR: Bộ ghi định vị thường trú VLR: Bộ ghi định vị t ạm trú 5
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN MSC: Tổng đài di động EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị BSS: Hệ thống con thu phát g ốc (phân h ệ tr ạm gốc) BSC: Bộ điều khiển tr ạm gốc BTS: Tr ạm thu phát gốc OSS: Hệ thống con khai thác và hỗ tr ợ MS: Tr ạm di động ISDN: M ạng s ố đa dịch vụ PSPDN: Mạng chuy ển mạch s ố công c ộng theo gói CSPDN: Mạng chuy ển mạch s ố công c ộng theo mạch PLMN: Mạng di động mặt đất công c ộng Hệ thống GSM có thể chia thành các h ệ thống con nh ư sau - Hệ t hống con chuy ển mạch – SS. - Hệ thống con tr ạm gốc – BSS. - Hệ thống con khai thác và hỗ tr ợ – OSS. - Tr ạm di động – MS. 1.4.1. Cấu trúc v à ch ức n ăng h ệ th ống co n chu yển m ạch – SS Hệ thống con chuy ển mạch bao gồm chức năng chuy ển mạch chính của mạng GSM cũng nh ư việc l ưu tr ữ các cơ sở dữ liệu cần thiết về số liệu và qu ản lý di động c ủa thuê bao. Ch ức năng chính của SS là qu ản lý thông tin giữa những ng ười sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác. H ệ thống con chuy ển mạch gồm có các bộ phận sau: 1.4.1.1. Trung tâm chuy ển mạch di động – MSC MSC thực hi ện nhiệm vụ điều khiển, thi ết lập cuộc gọi đến nh ững ng ười sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác. Th ực hi ện giao diện với hệ thống con BSS và giao diện với các mạng ngoài. MSC thực hi ện giao diện với mạng ngoài gọi là MSC cổng (GMSC). Để kết nối MSC với một số mạng khác cần ph ải tương thích các đặc điểm truy ền dẫn của GSM với các mạng khác được gọi là ch ức năng tương tác IWF (InterWorking Functions). IWF cho phép GSM kết nối với các mạng ISDN, PSTN, PSPDN, CSPDN, PLMN. 6
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 1.4.1.2. Bộ ghi định vị t hường trú – HLR HLR l ưu tr ữ mọi thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, kể cả vị trí hiện thời của MS. HLR thường là một máy tính đứng riêng có khả năng qu ản lý hàng tr ăm nghìn thuê bao nh ưng không có khả năng chuy ển mạch. Một chức năng nữa của HLR là nhận dạng thông tin do AUC cung c ấp. 1.4.1.3. Bộ ghi định vị t ạm trú – VLR VLR là cơ sở dữ li ệu thứ hai trong mạng GSM. Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số li ệu của các thuê bao hiện đang nằm trong miền ph ục vụ của MSC và đồng thời lưu tr ữ số li ệu về vị trí của các thuê bao trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Các chức năng VLR thường được liên k ết với MSC. 1.4.1.4. Trung tâm nh ận thực – AUC Trung tâm nh ận thực lưu giữ về nh ận thực thuê bao, thông qua khóa nh ận thực (Ki), kiểm tra cho tất cả các thuê bao trong mạng. Nó chịu trách nhiệm xử lý nh ận thực và tạo biện pháp bảo mật trong các cu ộc gọi. AUC là bộ nh ận ph ần cứng trong HLR, cho phép bám và ghi lại các cu ộc gọi, chống nghe tr ộm, nó được thay đổi riêng cho từng thuê bao. Theo yêu c ầu c ủa HLR, AUC tạo ra các nhóm chức năng nh ư sau: - Số n gẫu nhi ên RAND (Random Number). - Đáp ứng tín hi ệu SRES (Signal Response). - Chìa khoá m ật mã Kc. 1.4.1.5. Thanh ghi n hận dạng th iết bị – EIR EIR được nối với một MSC thông qua một đường báo hiệu riêng, nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thi ết bị di động, hay EIR lưu tr ữ thông tin về IMEI và tổ chức danh sách IMEI như sau. - Danh sách tr ắng: gồm các IMEI hợp l ệ. - Danh sách xám: gồm các IMEI bị mất c ắp. - Danh sách đen: gồm các IMEI của các di động bị lỗi hoặc không kết nối được với mạng GSM hi ện t ại. 1.4.1.6. Tổng đài di động c ổng – GMSC SS có thể chứa nhi ều MSC, VLR, HLR. Để thi ết lập được một cuộc gọi đến ng ười sử dụng GSM, tr ước hết cuộc gọi phải được định đến một tổng đài di động cổng 7
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN (GMSC) mà không cần biết đến thuê bao đang ở đâu, Các GMSC có nhi ệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuy ến đến tổng đài qu ản lý thuê bao ở điểm hiện thời (MSC tạm trú). Vì vậy tr ước hết các GMSC ph ải dựa trên số danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này. GMSC có một giao diện với các mạng bên ngoài thông qua giao diện này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối mạng bên ngoài với mạng GSM. Ngoài ra tổng đài này cũng có hệ thống báo hiệu số 7 (CCS N07) để có thể tương tác với các ph ần tử khác của SS. Về ph ương diện kinh tế không bao giờ tổng đài di động c ổng đứng riêng một mình mà th ường kết hợp với MSC. 1.4.1.7. M ạng báo hiệu s ố 7 - CCS N07 Mạng CCS N07 Phụ thu ộc vào quy định của t ừng nước, một hãng khai thác GSM có thể có mạng báo hiệu CCS N07 riêng hay chung. Nếu hãng khai thác có mạng báo hiệu này riêng thì các điểm chuy ển báo hiệu có th ể là một bộ ph ận của SS và có thể được thực hi ện ở các điểm nút riêng hay trong cùng một MSC tuỳ thuộc vào hoàn cảnh kinh tế. Tương tự một nhà khai thác GSM cũng có thể có quy ền thực hi ện một mảng riêng để định tuy ến các cu ộc gọi gi ữa GMSC và MSC hay thậm chí định tuy ến cuộc gọi ra đến điểm gần nh ất tr ước khi sử dụng mạng cố định. Lúc này các tổng đài quá giang có thể sẽ là một bộ ph ận của mạng GSM và được thực hi ện khi nó đứng riêng hay kết hợp với MSC. 1.4.2. Cấu trúc v à ch ức n ăng c ủa h ệ th ống con t rạm g ốc – BSS Sơ đồ khối c ấu trúc của hệ thống con BSS được minh hoạ như hình 1 – 2 1.4.2.1. Bộ điều khiển tr ạm gốc – BSC Lu ång ®iÒu khiÓn OSS Luån g l−u l−îng MS BSS NSS Hình 1 – 2: Các giao di ện ngo ài BSS BSC có nhiệm vụ qu ản lý tất cả các giao diện vô tuy ến thông qua các lệnh điều khiển từ xa giữa BTS và MS. Các lệnh này ch ủ yếu là các lệnh được ấn định, giải 8
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN phóng kênh vô tuy ến và qu ản lý chuy ển giao. Một phần của BSC nối với các BTS còn ph ần kia được nối với MSC. Trong thực tế BSC là một tổng đài nh ỏ có kh ả năng thực hiện tính toán đáng kể. Vai trò ch ủ yếu của nó là qu ản lý các kênh ở giao diện vô tuy ến và chuy ển giao. Một BSC trung bình có thể qu ản lý được vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này. Giao di ện giữa BSC với MSC được gọi là giao diện A, còn giao di ện giữa BTS và BSC là giao di ện A bis. 1.4.2.2. Tr ạm thu phát gốc – BTS BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thuê bao di động (hay tr ạm di động - MS), trao đổi thông tin với MS thông qua giao diện vô tuy ến Um. BTS bao gồm các thi ết bị nh ư: Anten thu phát, thiết bị xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuy ến. Một BTS có thể gồm một hay vài máy thu phát vô tuy ến TRx. BTS dưới sự điều khiển của một BSC có thể kết nối theo nhi ều đường khác nhau. Cơ bản là các cấu hình hình sao, vòng ho ặc chuỗi nhỏ, nhưng cũng có th ể kết hợp các cấu hình đó l ại với nhau. Cấu hình BSS thể hi ện nh ư hình 1 – 3 và 1 – 4 dưới đây. BTS1 BTS4 BTS2 BSC MSC BTS5 BTS3 Hình 1 - 3: Cấu h ình hình sao BSC MSC BTS1 BTS2 BTS3 BTS4 BTS5 BTS6 Hình 1 - 4: Cấu hìn h vòn g hoặc ch uỗi n hỏ 9
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 1.4.2.3. Bộ chu yển đổi mã thích ứng tốc độ TRAU TRAU là thiết bị mà quá trình mã hoá và giải mã đặc thù riêng cho mạng GSM được ti ến hành, ở đây cũng thực hi ện việc tương thích tốc độ trong tr ường hợp truy ền số li ệu. Nó kết hợp các đường dữ li ệu 13kbps thành đường PCM 64kbps và ng ược lại. TRAU là một bộ ph ận của BTS, nhưng cũng có thể đặt nó cách xa BTS và th ậm chí trong nhiều tr ường hợp nó được đặt gi ữa BSC và MSC. 1.4.3. T rạm di động – MS Trạm di động MS gồm 3 loại sau: - Cầm ta y. - Xách tay. - Gắn trên ô tô. Các tr ạm di động đều gồm có một thi ết bị di động ME và một modun nhận dạng thuê bao SIM. GSM MS được phân thành 5 lo ại theo công suất định danh nh ư sau: Lo ại 1: 20W gắn tr ên xe và xách tay. Lo ại 2: 8W gắn tr ên xe và xách tay. Lo ại 3: 5W cầm tay. Lo ại 4: 2W cầm tay. Lo ại 5: 0.8W cầm tay. Th iết bị di động – ME: gồm có bàn phí m, màn hình hiển thị, giao di ện vô tuy ến. Tuy nhiên ME không thể truy cập vào mạng nếu nh ư nó không có SIM Card hợp lệ (ngo ại tr ừ tr ường hợp các cu ộc gọi báo nguy). SIM Card: là một modun dùng để gắn vào ME khi thuê bao tham gia vào mạng. Khi được sử dụng ở ME, SIM đảm bảo các ch ức năng sau n ếu nó nằm trong mạng GSM. Lưu tr ữ các thông tin bảo mật li ên quan đến thu ê bao (nh ư IMSI). Th ực hi ện các cơ chế mật như nhận thực và mã hoá bảo mật. Khai thác PIN người sử dụng (nếu có PIN) và quản lý. Quản lý các thông tin liên quan đến thuê bao di động. 10
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 1.4.4. Hệ t hống con khai thác và hỗ trợ - OSS 1.4.4.1. Chức năng khai thác và bảo dưỡng Khai thác: Giám sát toàn bộ chất lượng dịch vụ (t ải lưu lượng, mức độ ngh ẽn, số lượng chuy ển giao ) để kịp thời xử lý các sự cố. Khai thác bao gồm cả việc thay đổi cấu hình để giải quyết các vấn đề hiện tại, để tăng lưu lượng, tăng diện tích ph ủ sóng. Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hi ện, định vị, sửa chữa các sự cố và hỏng hóc. Nó liên quan ch ặt chẽ với khai thác. 1.4.4.2. Quản lý thuê bao Bao gồm cả các ho ạt động nh ư: Đă ng ký thuê bao, nhập thuê bao vào mạng hay lo ại bỏ thuê bao ra khỏi mạng. Đă ng ký các d ịch vụ và các tính năng bổ sung. Một nhi ệm vụ quan tr ọng khác của quản lý thuê bao là tính cước cuộc gọi. Qu ản lý thuê bao do HLR và một số thi ết bị OSS chuyên dụng đảm nhiệm. SIM Card đóng vai trò quan trọng cùng v ới OSS trong vi ệc quản lý các thuê bao. Quản lý thiết bị tự động được thực hi ện bởi EIR. EIR lưu tr ữ tất cả các dữ li ệu liên quan đến tr ạm di động MS. EIR được nối với MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm tra sự hợp l ệ c ủa các thuê bao. 1.5. Cấu hình kênh trên giao di ện vô tuy ến Giao diện vô tuy ến là giao diện giữa BTS và thuê bao di động (MS). Nó là giao di ện quan tr ọng nh ất, đóng vai trò quy ết định đến chất lượng dịch vụ của mạng. Trong mạng GSM, giao diện vô tuy ến sử dụng kết hợp cả hai ph ương pháp đa truy cập theo tần số và thời gian (FDMA và TDMA). Trên giao di ện vô tuy ến ng ười ta đư a ra khái niệm kênh v ật lý và kênh logic. 1.5.1. Kênh v ật lý Hệ thống mạng GSM làm việc trong băng tần hẹp, dải tần dành cho chu ẩn GSM từ 890 đến 960 MHz. B ăng t ần này được chia làm hai phần: Băng tần lên (Uplink band) với dải tần 890 đến 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ tr ạm di động đến tr ạm thu phát gốc. Băng tần xu ống (Downlink band) với dải tần 935 đến 960 MHz cho các kênh vô tuyến t ừ tr ạm thu phát gốc đến tr ạm di động. 11
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Như vậy hai băng tần này, mỗi băng tần rộng 25MHz. Trong GSM 25MHz này được chia thành 124 sóng mang (hay kênh vô tuyến), các sóng mang gần nhau cách nhau 120 KHz. Mỗi kênh sử dụng hai tần số riêng biệt, một được dùng cho đường lên và một được dùng cho đường xu ống, các kênh này gọi là kênh song công. Kho ảng cách giữa băng tần lên và xu ống ở trên là không đổi 45MHz được gọi là kho ảng cách song công. Mỗi kênh vô tuy ến này mang 8 khe th ời gian TS và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi thông tin giữa mạng và tr ạm di động. Thông tin được phát đi trong một khe thời gian gọi là một c ụm (burst). Vậy số kênh vật lý trong GSM là 992 kênh (có 124 sóng mang, mỗi sóng mang có 8 kênh v ật lý). 1.5.2. Kênh logic Ngoài khái ni ệm kênh vật lý trên giao diện vô tuy ến ng ười ta còn đư a ra thêm khái niệm kênh logic. Do có nhiều loại thông tin cần truy ền giữa BTS và MS (như dữ li ệu của người sử dụng, thông tin báo hiệu, thông tin điều khiển ). Với các lo ại thông tin cần truy ền khác nhau ta có các khái niệm về kênh logic khác nhau. Các kênh logic được ấn định ở các kênh vật lý nh ất định và trong nh ững kho ảng thời gian nh ất định của quá trình trao đổi thông tin. Có hai loại kênh logic là kênh lưu lượng TCH (Traffic CHannel) và các kênh điều khiển. 1.5.2.1. Kênh l ưu l ượng – TCH Là kênh mang thông tin tho ại và dữ li ệu được mã hoá của người sử dụng, đây là kênh ở c ả hai đường lên và xu ống, truyền t ừ điểm tới điểm. Có hai loại kênh lưu lượng TCH là kênh toàn tốc FR và kênh bán tốc HR có tốc độ bằng một nửa kênh toàn t ốc. 1.5.2.2. Các kênh điều khiển Các kênh điều khiển báo hiệu được chia làm ba loại là: Các kênh qu ảng bá BCCH, các kênh điều khiển chung CCCH và các kênh điều khiển riêng DCCH. 1.5.2.2.1. Các kênh điều khiển qu ảng bá - BCCH Là kênh đường xu ống kết nối điểm – điểm gồm có các kênh là: Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH mang thông tin của hệ thống để điều chỉnh tần số cho MS. 12
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Kênh đồng bộ SCH mang thông tin đồng bộ khung cho MS và mã nh ận dạng tr ạm BTS. Kênh điều khiển qu ảng bá BCCH mang các thông tin của hệ thống nh ư số LAI, các thông tin c ủa ô. 1.5.2.2.2. Kênh điều khiển chung CCCH gồm có các kênh là: Kênh tìm gọi PCH: dùng để phát thông báo tìm gọi MS (paging). PCH là kênh dùng cho đường xu ống. Kênh truy cập ng ẫu nhiên RACH: là kênh mà MS sử dụng để yêu cầu cung cấp một kênh DCCH, tr ả lời thông báo tìm gọi, đồng thời để thực hi ện các th ủ tục kh ởi đầu khi đăng ký cuộc gọi (nhận thực, chuy ển s ố gọi ) RACH là kênh đường lên k ết nối điểm - đa điểm. 1.5.2.2.3. Các kênh điều khiển riêng DCCH Kênh điều khiển riêng đứng đơ n lẻ SDCCH dùng để báo hiệu hệ thống khi thiết lập cuộc gọi (đăng ký, nh ận thực, quay số ) tr ước khi ấn định một kênh TCH. SDCCH dùng cho c ả đường lên và xu ống, kết điểm - điểm. Kênh điều khiển liên kết chậm. SACCH: kênh này không đi một mình mà liên kết với một kênh SDCCH hoặc một kênh TCH. Đây là kênh số kiệu liên tục mang thông tin đo đạc từ MS về cường độ tín hiệu nh ận, chất lượng thu của ô hi ện thời và các ô lân cận. Các thông báo này được chuy ển về BSC để quy ết định chuy ển giao HO (Handover), ở đường xu ống nó mang thông tin để điều khiển công suất phát c ủa MS và thông số định thời tr ước TA để đồng bộ thời gian. Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH liên kết với một kênh TCH theo chế độ “l ấy lén”. Khi tốc độ thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều kh ả năng của SACCH, hệ thống s ẽ “l ấy lén” một cụm 20ms của TCH. Đây là trường hợp khi chuy ển giao. Có rất nhi ều thông tin cần được trao đổi gi ữa mạng với MS. 20ms ti ếng hay số li ệu đư ợc l ấy lén sẽ đư ợc thay t hế bằng một ch uỗi nội suy ở bộ gi ải m ã. 1.6. Giao di ện trong mạng GSM Để các ph ần tử trong mạng có thể làm việc được với nhau thì chúng ph ải tuân theo một quy định nào đó. Các quy định đó chính là nhiệm vụ của các giao diện trong mạng. Hình 1 – 5 sẽ chỉ ra các giao di ện trong mạng nh ư sau: 13
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN NMC G D HLR VLR VLR H C B OMC AUC E MSC MSC EIR F XC IFC EC TRAU A BSC BSC Abis BTS BTS BTS BTS BTS BTS Um MS MS Hình 1 - 5: Giao di ện giữa các ph ần t ử mạng 1.6.1. Giao di ện giữa các ph ần t ử m ạng 1.6.1.1. Giao di ện vô tuy ến Um (BTS và MS) Là giao diện giữa MS và BTS, nó là giao diện quan tr ọng, quyết định lớn đến chất lượng c ủa dịch vụ trong mạng GSM. Với giao di ện này thì: Một MS có thể sử dụng trong bất cứ mạng GSM tương thích nào trên thế giới. Với giá thành thiết bị thấp cho một vùng phủ sóng nh ất định với một lưu lượng nh ất định, dễ khai thác và quản lý mạng. 1.6.1.2. Giao di ện Abis (BTS và BSC) Là giao diện giữa BTS và BSC, được sử dụng để trao đổi thông tin của thuê bao (tho ại, dữ li ệu ) và thông tin điều khiển (báo hiệu, đồng bộ ). Giao diện Abis sử dụng đường truy ền PCM 32 (2Mbps) với mã sửa lỗi CRC4 theo khuyến ngh ị CCITT, G372, giao thức trong kênh báo hiệu tuân theo chuẩn CCITT LAPD. 1.6.1.3. Giao di ện A (BSC và MSC) Là giao diện giữa BSC và MSC thông qua bộ chuy ển đổi mã tương thích tốc độ TRAU. 1.6.1.4. Giao di ện B (MSC và VLR) 14
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Là giao di ện giữa MSC và VLR đư ợc tiêu chu ẩn hoá cho GSM pha 1. Giao d iện này sử dụng báo hiệu số 7 (CCS N07) để trao đổi số li ệu giữa MSC và VLR về quy ền truy cập mạng, các tham số về chuy ển cuộc gọi, số nh ận dạng thuê bao vãng lai và các số li ệu cần trao đổi gi ữa tổng đài và MS trong th ời gian nối mạch. Hi ện nay các nhà sản xu ất đã kết hợp MSC và VLR vào một thi ết bị nên giao diện này không còn quan trọng nữa. 1. 6.1.5. Giao di ện C (MSC và HLR) Là giao diện giữa MSC và HLR được tiêu chu ẩn hoá cho GSM. Giao diện này sử dụng mạng báo hiệu số 7 (CCS N07). MSC s ử dụng giao di ện này để l ấy s ố li ệu t ừ HLR trong các tr ường hợp sau: Số thuê bao di động vãng lai MSRN khi có cuộc gọi từ mạng cố định vào mạng di động. Thông tin định tuy ến từ HLR đến GSMC khi có cuộc gọi từ mạng cố định vào mạng di động. 1.6.1.6. Giao di ện D (VLR và HLR) Là giao di ện giữa VLR và HLR. Giao diện D s ử dụng mạng báo hiệu số số 7 (CCS N07) để trao đổi thông tin của các thuê bao di động giữa các cơ sở dữ li ệu của VLR và HLR như: Các tham s ố về qu yền truy nh ập mạng c ủa thuê bao. Tái thi ết lập mạng số li ệu của thuê bao cho VLR khi thuê bao di động chuy ển sang vùng ph ục vụ c ủa t ổng đài khác. Thiết lập mới các số li ệu về thuê bao cho VLR khi thuê bao chuy ển từ vùng ph ục vụ c ủa t ổng đài khác t ới. Xử lý và lưu tr ữ các thông tin liên quan tới dịch vụ bổ sung khi thuê bao yêu cầu. 1.6.1.7. Giao di ện E (MSC và MSC) Là giao diện giữa các tổng đài trong mạng GSM. Giao diện E để thi ết lập các cu ộc gọi gi ữa các thuê bao thuộc vùng ki ểm soát của các tổng đài khác nhau. Giao diện này sử dụng các luồng PCM 32 cùng các kênh CCS N07 để thực hi ện các ch ức năng như: Di chuy ển cuộc gọi qua MSC khác khi đang nối mạch cho thuê bao đang đàm thoại và đang di chuy ển, hi ện t ượng này g ọi là chuy ển giao. 15
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Trao đổi các thông số điều kh iển cuộc gọi gi ữa MSC và thuê bao khi xẩy ra chuy ển giao. Thiết l ập hay hu ỷ cuộc gọi. 1.6.1.8. Giao di ện G (VLR và VLR) Là giao diện giữa các VLR trong mạng GSM. Giao diện G sử dụng để trao đổi số li ệu của máy di động thông qua quá trình tạo lập và lưu tr ữ “hộ kh ẩu tạm trú” của thuê bao đó. Giao di ện G s ử dụng mạng báo hiệu CCS N07 để trao đổi thông tin: Gửi các yêu cầu về IMSI t ừ VLR c ũ sang VLR mới. Gửi các yêu cầu về tham số quy ền truy cập của thuê bao từ VLR này sang VLR khác khi thuê bao đang di chuy ển kh ỏi khu vực c ủa một MSC t ương ứng. 1.6.2. Giao di ện ng oại vi 1.6.2.1. Giao di ện với OMC Là giao diện giữa OMC và các phần tử mạng nh ư MSC, VLR, HLR, AUC, BSC giao diện này nh ằm điều hành khai thác và bảo dưỡng các ph ần t ử trong mạng. Đế n nay vẫn chưa có một tiêu chu ẩn thống nh ất cho giao di ện này, nhìn chung đều dùng X.25. 1.6.2.2. Giao di ện với PSTN Là giao diện giữa mạng GSM với PSTN được chuẩn hoá bằng luồng PCM 32 (2Mbps) với các hệ thống báo hiệu CCS N07 hay MFCR2 tu ỳ thuộc vào mạng tho ại chỉ có các dich vụ có mặt ở cả hai mạng mới có thể cho phép các cu ộc gọi liên quan tới các thuê bao trong mạng thực hi ện liên lạc với nhau. 1.6.2.3. Giao diên với ISDN Giao diện với mạng số li ệu X.25 cũng được chuẩn hoá trong mạng GSM. Cấu trúc cụ thể c ủa giao di ện này ph ụ thuộc vào yêu cầu c ụ thể c ủa t ừng nhà khai thác. 1.6.2.4. Giao di ện với PLMN thông qua PSTN/ISDN Giao diện giữa các mạng GSM với nhau thông qua mạng cố định PSTN và ISDN được chuẩn hoá cho mạng GSM. Giữa các MSC của hai mạng có hai loại báo hiệu được trao đổi khi nối mạng. Các chức năng xử lý cuộc gọi cơ bản, ph ụ thuộc vào hệ th ống báo hiệu của mạng cố định (CCS N07 ho ặc RS). Các chức năng của MAP được quy định trong SCCP của mạng báo hiệu s ố 7. 16
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 1.7. Các tr ường hợp thông tin trong mạng GSM 1.7.1. Các MS t ắt máy ở ngoài vùng phục v ụ Mạng không thể ti ếp cận đến MS vì nó không thể tr ả lời thông báo tìm gọi, nó cũng không thông báo cập nh ật vị trí. M ạng cho rằng MS đã ra kh ỏi mạng. 1.7.2. MS bật má y, tr ạng thái máy rỗi Hệ thống có thể tìm gọi MS, có thể được coi là nh ập mạng. Trong khi chuy ển động, MS liên tục ki ểm tra xem nó có luôn được nối với một kênh qu ảng bá BCCH trên TS 0 của tần số f0 của một ô nào đó không. Trong tr ạng thái này, MS cũng thông báo cho hệ thống nh ững thông tin liên quan về cập nh ật vị trí sau nh ững kho ảng thời gian nh ất định. 1.7.3. MS bận Có một kênh TCH song công nối gi ữa mạng và MS. Khi chuyển động, MS có thể chuy ển đến một kênh vô tuy ến mới. Qúa trình này được gọi là chuy ển giao, nó được quy ết định nh ờ các thông s ố đo đạc t ừ MS và BTS. 1.7.4. Cập nhật v ị trí Khi MS di chuyển và ở tr ạng thái rỗi. Nó được chuyển đến một tần số nh ất định có CCCH và BCH ở TS0. Khi đã rời xa BTS nối với nó thì MS sẽ quy ết định chuy ển sang một tần số mới thuộc một trong các ô lân cận có cường độ tín hiệu lớn hơn tần số cũ. Sau khi chuyển đến tần số mới, MS tiếp tục nghe các thông báo tìm gọi các thông tin hệ thống. Vi ệc thay đổi tần số vô tuy ến của MS không cần thông báo cho mạng tr ừ khi tần số mới và tần số cũ không cùng một vùng định vị LA. Sau đó, MS thâm nhập mạng để cập nh ật vị trí c ủa mình ở MSC/VLR. Có hai tr ường hợp c ập nh ật vị trí: Di chuyển giữa các vùng định vị khác nhau c ủa cùng một MSC/HLR. Chuy ển vùng ph ục vụ gi ữa hai MSC/VLR. 1.7.5. Th ủ tục nh ập m ạng v à đă ng ký ban đầu MS bật máy, nó sẽ quét tất cả 124 tần số sóng mang trong GSM. MS bắt vào tần số có cường độ l ớn nh ất mang kênh BCH, hi ệu chỉnh l ại t ần s ố cho đúng và đồng bộ thông báo cập nh ật vị trí. Lúc này MSC/VLR ch ưa có thông tin gì về MS này. HLR gửi thông báo xác nh ận cập nh ật vị trí cho MSC/VLR. Bắt đầu từ bây giờ MSC/VLR coi rằng MS 17
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN đã hoạt động và đánh dấu tr ường dữ li ệu của MS bằng một cờ nh ập mạng có địa ch ỉ theo IMSI. 1.7.6. Th ủ tục rời m ạng Khi tắt nguồn ho ặc ra kh ỏi vùng phủ sóng, MS sẽ gửi thông báo cuối cùng chứa yêu cầu cho th ủ tục rời mạng và số nh ận dạng của nó. Khi thu được thông báo này, MSC/VLR sẽ đánh dấu cờ địa chỉ rời mạng vào địa chỉ IMSI tương ứng trong VLR. Trường hợp này không được thông báo và cũng có thông báo xác nh ận cập nh ật mạng nên thông báo tìm gọi sẽ không được phát ra và làm giảm thông tin trên các trung kế và qu ảng bá. 1.8. Các tr ường hợp cu ộc gọi trong GSM 1.8.1. Cuộc g ọi t ừ MS Gi ả sử MS đang ho ạt động ở tr ạng thái rỗi, ng ười sử dụng quay tất cả các ch ữ số thuê bao bị gọi và bắt đầu thủ tục cho cuộc gọi bằng cách ấn phím gọi (Ok ho ặc Yes). Lúc đó, MS sẽ gửi thông báo trên kênh RACH để yêu cầu thâm nh ập. MSC nh ận thông báo này thông qua BTS và yêu cầu BSC cấp cho MS một kênh SDCCH để cho các th ủ tục nhận thực và đánh dấu tr ạng thái bận cho thuê bao này trong việc phát thông báo tìm gọi lúc này. BSC gửi thông báo chấp nh ận thâm nh ập trên kênh AGCH cho MS trong đó có thông báo về kênh SDCCH cho các th ủ tục nhân thực. Nếu thuê bao ch ủ gọi là hợp lệ thì MSC/VLR sẽ chấp nh ận yêu cầu thâm nh ập. Sau đó, MS mới thi ết lập cuộc gọi và các chữ số của thuê bao bị gọi. MSC sẽ định tuy ến cuộc gọi đến GMSC, tuỳ theo thuê bao bị gọi là di động hay cố định mà số của nó sẽ được phân tích trực ti ếp ở GMSC hay ti ếp tục được định tuy ến đến tổng đài quá giang của mạng PLMN. Khi kênh đã nối sẵn sàng thì thông báo thiết lập cuộc gọi từ MS được MSC công nhận và cấp cho MS một kênh TCH riêng. Sau đó đợi tín hi ệu tr ả l ời t ừ thuê bao bị gọi. 1.8.2. C uộc g ọi đếm MS Gi ả sử muốn thiêt lập một cuộc gọi từ thuê bao cố định đến thuê bao di động (ví dụ thuê bao A) thì phải qua những bước sau nh ư hình 1 – 6. 1 Một c uộc gọi t ừ mạng c ố định đư ợc định tuy ến đến GMSC yêu cầu nối mạch với thuê bao A nào đó. 2 GMSC yêu c ầu HLR cho biết vị trí hiện hành của thuê bao A. 3 HLR cung cấp thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao A cho GMSC. 18
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 4 Dựa vào đó GMSC sẽ định tuy ến và gửi thông tin cần th iết đến MSC mà ở đó thuê bao A đang có mặt. 5 MSC yêu c ầu VLR cung cấp s ố li ệu về liên quan đến thuê bao A. 6 VLR cung c ấp các thông tin v ề thuê bao A cho MSC. 8 7 4 1 MS BTS MSC GMSC 5 7 6 PSTN 3 2 BTS VLR HLR/AUC Hình 1 - 6: C uộc gọi đến MS 7 MSC ti ến hành gọi thuê bao A trên tất cả các tr ạm BTS thuộc nó ki ểm soát vì MSC không bi ết thuê bao A đang ở đâu. 8 Sau khi thuê bao A nh ấc máy bắt đầu quá trình trao đổi thông tin giữa thuê bao A và mạng để kiểm tra SIM và cách thức mã hoá trên đường truy ền vô tuy ến. Sau đó VLR t ạo ra TMSI và m ạng ti ến hành n ối mạch. 9 Khi cuộc gọi kết thúc, các kênh truy ền dẫn logic và các số li ệu liên quan ch ứa trong các ph ần t ử c ủa mạng được gi ải phóng và MSC ghi các số liệu về cước vào băng t ừ hoặc đĩa c ứng. 1.9. Chu yển giao Chuy ển giao là quá trình xảy ra khi kênh lưu lượng (TCH) của MS được chuyển từ một kênh TCH này đến một kênh TCH khác đang trong quá trình th ực hi ện cuộc gọi. Có hai loại chuy ển giao là: - Chuyển giao bên trong ô. - Chuyển giao gi ữa các ô. Gồm có: • Chuy ển giao giữa các ô trong cùng một BSC, chuyển giao này do BSC này điều khiển. • Chuy ển giao giữa các ô thu ộc hai BTS thuộc hai BSC khác nhau, chuyển giao này liên quan đến MSC qu ản lý hai BTS này. 19
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN • Chuy ển giao giữa hai ô thuộc hai MSC khác nhau: Chuyển giao này liên quan đến c ả hai t ổng đài ph ụ trách hai ô nói trên. Trong tr ường hợp chuy ển giao nhi ều l ần giữa hai ô thuộc hai mạng MSC khác nhau, tổng đài MSC đầu tiên phụ trách MS được gọi là tổng đài quá giang vì cu ộc gọi luôn luôn được chuyển mạch qua tổng đài này. Lần chuy ển giao giữa hai tổng đài khác nhau thứ hai gọi là chuy ển giao giữa các ô thu ộc hai tổng đài lần đầu, còn gọi chuy ển giao các ô thu ộc hai t ổng đài tiếp theo. 1.9.1. Chu yển giao g iữa hai ô thu ộc cùng m ột BSC Quá trình chuy ển giao MS gi ữa 2 ô thu ộc cùng một MSC được thể hi ện ở hình 1–7 2 1 4 BTS 6 4 BTS 5 BSC MS 6 7 7 BTS BTS 3 Hình 1 – 7 mô t ả quá tr ình chu yển giao gi ữa hai ô th uộc cùng một t ổng đài - Quá trình cuộc gọi MS luôn luôn được đo cường độ tín hiệu và chất lượng kênh TCH của mình và cường độ trường của các ô lân cận. MS đánh giá giá tr ị trung b ình của kết quả đo. Hai lần trong một giây gửi thông báo kết quả đo (1) đến BTS cùng với kết quả đo ở các ô lân cận t ốt nhất. - BTS bổ sung thêm kết quả đo được ở kênh TCH và gửi thông báo về BSC (2). Ở BSC chứa chức năng định vị được kích hoạt để quy ết định xem có cần chuy ển giao cuộc gọi đến ô khác do chất lượng tín hiệu kém ho ặc nhi ễu lớn ở ô đang ph ục vụ hay không. - Trong tr ường hợp cần chuy ển giao BSC sẽ lệnh cho BTS mới được chọn kích ho ạt một kênh TCH (3) và lệnh cho BTS này gửi bản tin đến MS thông báo về tần số và khe thời gian c ần chuy ển đến (4). 20
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN - MS hi ệu chỉnh tần số đến một tần số mới và gửi bản tin thâm nhập chuy ển giao (HO) ở khe thời gian tương ứng (5). MS không sử dụng bất kỳ sự định thời tr ước nào, vì vậy HO là cụm rất ngắn chỉ chứa 8 bit thông tin. MS không nh ận được bất cứ thông tin nào để định thời tr ước cho đến khi BTS phát hi ện ra cụm HO. - MS cũng nh ận được thông tin hiệu chỉnh về công suất cần sử dụng (6) ở kênh FACCH l ấy t ừ kênh l ưu l ượng (c ờ được đặt lên b ằng 1). - BSC sẽ nh ận thông tin từ BTS là chuy ển giao đã thành công sau khi MS gửi bản tin hoàn thành việc chuyển giao (7). - Đường ti ếng trong chuy ển mạch nhóm thay đổi và BTS cũ được lệnh giải phóng TCH c ũ cùng với kênh liên k ết SACCH (8). Ở chuy ển giao bên trong BSC này thì do chính BSC xử lý mọi vi ệc không cần có sự can thi ệp c ủa MSC. MSC c hỉ đư ợc th ông báo v ề vi ệc t hực hi ện chuy ển giao. 1.9.2. Chu yển giao g iữa hai ô thu ộc hai BSC khác nhau Báo hiệu thực hi ện chuy ển giao giữa hai ô thuộc hai BSC khác nhau được thực hi ện nh ư trong hình 1 - 8. 8 6 BSC 1 5 7 12 BTS 11 MSC MS 4 10 9 BSC 2 BTS 3 Hình 1 - 8: Chu yển giao c uộc gọi gi ữa các BSC - BSC cũ dựa trên các báo cáo về kết quả đo tín hiệu nh ận được mà quyết định chuy ển giao đến một ô mới tr ực thuộc một BSC khác. BSC cũ (đang ph ục vụ MS) gửi bản tin “yêu cầu chuy ển giao” cùng với số nh ận dạng ô mới (1) đến MSC. - BSC bi ết MS đang nằm trong BTS nào và nó gửi yêu cầu chuy ển giao đến BTS này (2). 21
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN - BSC l ệnh cho BTS mới kích h oạt một kênh TCH nếu c òn kênh rỗi (3). - Khi BTS đã kích hoạt kênh TCH, nó gửi thông tin về khe thời gian và tần số đến MSC (4). - MSC chuyển thông tin này đến BSC c ũ (5). - MS được l ệnh chuy ển đến kênh TCH mới (6). - MS gửi đi c ụm thâm nhập chuy ển giao (HO) ở kênh TCH mới (7). - Ngay sau khi phát hiện được cụm HO. BTS gửi thông tin cần thiết về thời gian, công suất phát đến MS (8). - BSC mới nhân được thông tin rằng BTS đã nhận được HO (9), nó thông báo điều này qua MSC (10) và chuyển đến BSC c ũ (11). - BSC c ũ gi ải phóng kênh TCH và kênh SACCH cũ (12). - MS nhận thông tin về ô mới ở SACCH liên kết với TCH mới. Nếu ô này có số LAI mới MS phải th ực hi ện cập nh ật vị trí bình thường sau khi cu ộc gọi được giải phóng. 1.9.3. Chu yển giao g iữa hai ô thu ộc hai t ổng đài (MSC) khác nhau Quá trình chuy ển giao giữa hai ô thuộc hai tổng đài MSC khác nhau được thực hi ện nh ư hình dưới đây: 8 1 8 BSC MSC 6 BTS 7 PSTN 2 MS 10 10 5 BSC MSC HLR BTS 4 3 Hình 1 - 9: Chu yển giao c uộc gọi gi ữa hai MSC - BSC đang ph ục vụ MS sẽ “g ửi yêu cầu chuy ển giao” đến MSC nh ư trong trường hợp (1). 22
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN - MSC yêu cầu MSC chuy ển giao (MSC đích) (2) giúp đỡ. MSC đích cấp phát một chuy ển giao (là số điện tho ại th ường) để định tuy ến l ại cuộc gọi. - Yêu c ầu chuy ển giao được đến BSC mới (3). - Nếu có kênh TCH r ỗi, BSC yêu c ầu BTS kích hoạt một TCH mới (4). - MSC nhận được thông tin về kênh TCH mới (5) và chuyển thông tin này trở lại MSC c ũ cùng với số chuyển giao (6). - Đường truy ền được thi ết l ập đến MSC mới (7). - Lệnh chuy ển giao được gửi đến MS và với thông tin này trở lại MSC cũ cùng với t ần s ố và khe thời gian s ẽ được sử dụng ở ô mới chuy ển giao (8). - MS phát đi c ụm HO (chuyển giao) ở kênh TCH mới (9). - Một đường mới được thi ết lập ở chuy ển mạch nhóm và cuộc gọi được chuyển mạch (10). - Các kênh TCH và SACCH cũ được giai phóng. Tổng đài MSC cũ vẫn duy trì sự kiểm tr a đến cuộc gọi cho đến khi cuộc gọi kết thúc. Khi di chuyển vào vùng định vị mới sau khi giải phóng cuộc gọi phải th ực hi ện cập nh ật vị trí. Do một vùng định vị không thể tr ực thuộc cả hai MSC nên tr ường hợp này ph ải th ực hi ện cập nh ật vị trí sau khi cu ộc gọi kết thúc. HLR cũng được cập nh ật và gửi bản tin đến VLR cũ khi đó MSC sẽ ph ải xoá hết các thông tin liên quan đến thuê bao di động MS này. 23
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Ch ương 2: CÔN G NG HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG T HẾ H Ệ 2.5G 2.1. Tổng quan về GPRS Ý tưởng của GPRS được thảo luận năm 1992 và đến năm 1997 được phát hành thành chu ẩn. Chuẩn này ch ứa tất cả các ch ức năng chính của GPRS, bao gồm việc truy ền dẫn điểm - điểm c ủa số li ệu ng ười sử dụng, t ương tác v ới mạng Internet v à X.25, truy ền dẫn SMS nhanh sử dụng các giao thức GPRS, cộng thêm vào đó là các ch ức năng về bảo mật, tập hợp các công cụ tính cước cơ bản. Một năm sau chu ẩn này được bổ sung về truy ền dẫn điểm - đa điểm (PTM), các dịch vụ bổ sung và thêm vào đó là các ch ức năng t ương tác v ới mạng bên ngoài nh ư ISDN và t ương tác modem Công nghệ GPRS cung cấp các dịch vụ số li ệu trên mạng GSM, kh ả năng tho ại của mạng không thay đổi. Với mạng GSM sử dụng công nghệ TDMAvà FDMA với một TS dùng cho một kênh thông tin ng ười sử dụng, trong khi đó, mạng GPRS khi truy ền dữ li ệu có th ể sử dụng một TS hay có thể kết hợp nhiều TS đồng thời cùng một lúc, bằng cách đó tốc độ truy ền số li ệu của GPRS có thể lên tới 171.2 kbps (về lý thuy ết) khi sử dụng cả 8 TS của kênh vô tuy ến cùng một lúc. Do đó tốc độ truy ền dữ li ệu của GPRS được nâng cao. GPRS cung cấp dịch vụ truy cập vô tuy ến gói cho các MS của GSM và chức năng định tuy ến chuy ển mạch gói trong mạng GSM thế hệ 2.5G. Công nghệ chuy ển mạch gói được đư a ra để tối ưu việc truy ền số li ệu dạng cụm và tạo điều kiện cho một dung lượng truy ền t ải dữ li ệu l ớn. Đối với người sử dụng thì ưu điểm quan tr ọng nh ất của GPRS là việc tính cước dựa vào lưu lượng truy ền tải, khi đó họ không ph ải tr ả cước cho dung lượng truy ền dẫn không sử dụng đến. Vì trong thời gian rỗi phổ tín hiệu được dành cho nh ững ng ười sử dụng khác một cách hi ệu qu ả hơn. Các dịch vụ chủ yếu cho các ứng dụng với các đặc tính lưu lượng của truy ền tải tuần hoàn với khối lượng truy ền dẫn nh ỏ và truy ền tải không tuần hoàn với khối lượng truy ền dẫn có kích cỡ nh ỏ và trung bình. Điều này tạo kh ả năng cho hệ thống có thể ph ục vụ các dịch vụ và các ứng dụng mới. Sự truy ền tải một lượng lớn dữ li ệu vẫn sẽ được duy trì qua các kênh chuyển mạch theo mạch, để tránh ảnh hưởng cho ph ổ vô tuyến gói. Các ứng dụng của GPRS có thể ti ến hành từ các thiết bị truy ền thông tin nh ư một máy tính xách tay PC (thư điện tử, truy ền dẫn file, hiển thị trang web), đến các ứng dụng đặc bi ệt khác cho vi ệc truy ền tải dữ li ệu dung lượng thấp (nh ư đo lường, điều khiển t ừ xa ). 24
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Dịch vụ GPRS có thể cũng đư ợc dùng với các gói giao thức ch uẩn. Giao diện giữa tập giao th ức GPRS và các giao thức ứng dụng dựa trên giao thức điểm - điểm (PPP) ho ặc vài bộ điều khiển được sử dụng chung. GPRS là một phương thức truy ền số li ệu gói trên nền mạng GSM đã có sẵn, vì vậy ng ười ta đã thi ết kế ba dạng máy cơ bản đó là: GPRS nhóm A GPRS nhóm B, GPRS nhóm C. Nhóm A: Với nhóm A thì MS có thể kết nối đồng thời với cả dịch vụ số li ệu GPRS và dịch vụ GSM, có ngh ĩa là cùng một lúc máy Mobile có th ể vừa kết nối với truy ền số li ệu và thoại. Nhóm B: Khi đó MS có thể kích ho ạt cả dịch vụ GPRS và dịch vụ GSM, nh ưng chỉ có một dịch vụ được thực hi ện tại một th ời điểm, có ngh ĩa là với nhóm B máy di động có thể nh ận hay th ực hi ện cuộc gọi thoại trong khi đang kết nối truy ền số li ệu GPRS. Nhưng trong lúc tho ại thì tạm dừng truy ền số li ệu GPRS và đến khi tho ại kết thúc dịch vụ truy ền s ố li ệu GPRS được ti ếp t ục một cách t ự động. Nhóm C: Máy di động có kh ả năng dùng cả truy ền số li ệu GPRS và dịch vụ thoại nh ưng ph ải th ực hi ện bằng tay, có ngh ĩa là ng ười sử dụng có kh ả năng dùng cả dịch vụ truy ền số li ệu (GPRS) và tho ại. Nh ưng khi muốn chuy ển từ thoại sang số li ệu GPRS ho ặc ngược l ại thì phải th ực hi ện bằng tay máy không tự động chuy ển. Nhằm mục đích tối đa hoá hi ệu qu ả sử dụng, truy ền số li ệu GPRS còn được chia ra thành một số kiểu chi ti ết hơn, với các cách sử dụng số lượng các TS khác nhau gọi là các kiểu đa khe GPRS. Trong các ki ểu đa khe, số lượng TS được sử dụng truy ền tải ở các đường lên và đường xu ống có thể khác nhau. Thông thường là số TS ở đư ờng xu ống nhiều hơn nh ằm mục địch ph ục vụ cho các dịch vụ yêu cầu tải số li ệu xu ống nhiều hơn (nh ư bảng 2 – 1). Ở đây số khe được kích hoạt xác định số lượng TS mà thiết bị GPRS có thể dùng đồng thời cho cả hai đường lên và xu ống. Hình: 2 - 1 là một ví dụ cụ thể cho số lượng TS trong GPRS ki ểu 3, ở đây s ử dụng 3 TS cho đường xu ống và 1 TS cho đường lên. Data in Dowlink 0 1 2 3 4 5 6 7 kh¶ n¨ng GPRS Uplink 0 1 2 3 4 5 6 7 Data out Hình 2 – 1: Số TS sử d ụng trong GPRS 25
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Như vậy ta có th ể thấy rằng hầu nh ư các kiểu GPRS đều hỗ tr ợ cho đư ờng xu ống nhiều hơn đường lên. Bảng 2 – 1: S ố timeslot sử d ụng trong các k iểu GPRS Lớp đa khe Đường xu ống Đường l ờn Số khe được kích hoạt 1 1 1 2 2 2 1 3 3 2 2 3 4 3 1 4 5 2 2 4 6 3 2 4 7 3 3 4 8 4 1 5 9 3 2 5 10 4 2 5 11 4 3 5 12 4 4 5 2.2. Cấu trúc mạng GPRS và các giao thức Cấu trúc mạng GPRS được xây dựng trên nền của mạng GSM đang tồn tại. Tuy nhiên nhiều thành ph ần mạng mới được thêm vào cho ch ức năng chuy ển mạch gói (như hình 2 - 2). Chức năng định tuy ến chính được xử lý bởi các nút hỗ tr ợ. Tồn tại một nút hỗ tr ợ cổng GPRS (GGSN) và một nút hỗ tr ợ dịch vụ GPRS (SGSN). Thêm nữa, có một mạng tr ục nối các nút SGSN và GGSN với nhau, và một cổng đường biên kiểm soát truy ền gói giữa mạng GPRS và PLMN khác. Một server tên miền có th ể được sử dụng cho các mục đích biên d ịch địa chỉ. 26
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN GGSN SOG MSC/VLR BTS TE MT HLR AUC SMS-SC BSC MS SGSN M¹ng ®−êng Border GPRS trôc GPRS gateway backbone Border gateway GGSN M¹n g IP ngoµi (Internet, LAN) GPRS kh¸c Kªn h b¸ o hiÖu Kªnh l−u l−îng vµ b¸o hiÖu N©n g cÊp phÇ n mÒm cho GPRS N©n g cÊp phÇ n mÒ m vµ phÇn cøng cho GPRS Hình 2 – 2: C ấu trúc hệ th ống mạng GPRS GPRS lưu giữ thông tin vị trí của các trạm di động đang sử dụng các giao thức số li ệu được hỗ tr ợ bởi GGSN đó. Ngoài ra còn có một phần tương tác giữa mạng GPRS PLMN và mạng số li ệu bên ngoài (nh ư mạng internet và mạng X.25). Dựa trên địa chỉ của gói nhận được từ mạng số li ệu bên ngoài. GGSN có th ể chuy ển gói tới một SGSN thích hợp. Như vậy, các gói được truy ền phát bởi một tr ạm di động theo đường từ SGSN tới GGSN được định tuy ến tới mạng số li ệu ngoài. Sự định tuy ến của các gói có thể thực hi ện khi GGSN tham gia vào các thủ tục quản lý di động của GPRS. Một đặc tr ưng quan tr ọng nữa cho nhà khai thác mạng là GGSN có kh ả năng tính cước cho các máy di động. SGSN tham gia vào quá trình định tuy ến cũng nh ư các ch ức năng qu ản lý di động. Nó phát hi ện và cập nh ật vị trí cho các trạm di động GPRS mới trong vùng phục vụ của nó và truy ền các gói số li ệu giữa các trạm di động và các GGSN. SGSN điều khiển các giao thức giao di ện vô tuy ến mức cao c ũng nh ư các giao thức mạng GPRS. Tuy ến truy ền tải số li ệu và các bản tin báo hiệu giữa các nút hỗ tr ợ GPRS được thực hi ện bởi một mạng đường tr ục GPRS. Cấu trúc giao th ức của mạng đường tr ục dựa trên Giao thức Internet (IP). Hình 2 – 3 mô tả cấu trúc định tuy ến gói tin tới mạng khác. Để truy ền tải tin cậy qua mạng đường tr ục GPRS (ví dụ X.25), giao thức điều khiển truy ền dẫn (TCP) được sử dụng với IP. Mặt khác giao thức điều khiển truy ền dẫn 27
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN (UDP) đư ợc sử dụng với IP (ví dụ cho thông tin Internet). Nằm trên giao thức đư ợc đề cập trên, là giao th ức chuyển mạch kênh GPRS. Khi yêu cầu truy ền số li ệu giữa hai GPRS PLMN, một cổng đường biên được sử dụng để cung cấp sự bảo mật thích hợp cho mạng đường tr ục. Lo ại mạng đường tr ục được chọn bởi một thoả thuận chuy ển vùng, có thể là một mạng Internet công cộng ho ặc một thuê bao dành riêng. Hình 2 – 3: c ấu trúc hệ th ống GPRS v à ví dụ đị nh tu yến Vi ệc vận hành các giao th ức tại giao diện vô tuy ến mức thấp được ti ến hành bởi phân hệ tr ạm gốc (BSS). Các giao thức truy nh ập và phát lại tự động là các ch ức năng chính của phân hệ tr ạm gốc GPRS. Từ đó tồn tại một số lượng lớn các phân hệ tr ạm gốc trong khi khai thác, các giao thức GPRS được thi ết kế mà các thiết bị đang tồn tại trong mạng GSM có thể được nâng c ấp để s ử dụng trong mạng GPRS. Trong tr ường hợp này điều khiển các giao diện vô tuy ến không được quản lý bởi tr ạm thu phát gốc (BTS), một đơ n vị kiểm soát gói (PCU) có thể được tri ển khai. Khi đó chức năng điều khiển vô tuy ến định vị từ xa được thực hi ện bộ điều khiển tr ạm gốc (BSC) hoặc tại SGSN. Vi ệc truy ền số li ệu và các bản tin báo hiệu giữa BTS và PCU được thực hi ện nh ờ sử dụng các khung PCU, các khung này chính là các bộ chuy ển đổi mã TRAU mở r ộng. 28
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 2.2.1. Th iết b ị đầu cu ối – TE Thiết bị đầu cuối (TE) về bản chất là một máy tính, th ường là một máy tính xách tay, mà thông qua nó ng ười sử dụng có thể truy cập và lấy thông tin từ mạng. Thi ết bị đầu cuối có nhi ệm vụ trao đổi thông tin với mạng. Hệ thống GPRS sẽ cung cấp kết nối IP gi ữa thi ết bị đầu cuối số li ệu với một nhà cung c ấp dịch vụ (ISP) hay một mạng LAN cộng tác. 2.2.2. Đầu cu ối di động – MT Nhìn từ góc độ ng ười sử dụng, đầu cuối di động (MT) có th ể được xem nh ư một modem làm nhiệm vụ kết nối với hệ thống GPRS. Đầu cuối di động có nhiệm vụ kết nối thi ết bị đầu cuối (TE) với hệ thống GPRS thông qua giao diện vô tuy ến. Về bản chất thì đầu cuối di động là một máy điện thoại cấu hình GSM thông thường, tuy nhiên nó được trang b ị thêm một số chức năng để cung c ấp dịch vụ chuyển mạch gói di động. Đầu cuối di động thường được gắn li ền với thuê bao GSM thông thường. Khi thi ết bị đầu cuối cần trao đổi số li ệu thì đầu cuối di động sẽ thi ết lập kết nối với SGSN. Nhi ệm vụ đầu cuối di động là ph ải làm sao cho thiết bị đầu cuối số li ệu kết nối được với mạng thông qua giao th ức IP mà không cần biết sự di động của nó. Nghĩa là TE không nh ận biết được rằng nó đang di chuy ển và địa chỉ IP của nó được gán cho TE chừng nào MT còn liên k ết với hệ thống GPRS. 2.2.3. T rạm di động – MS Để hỗ tr ợ dịch vụ số li ệu gói, tr ạm di dộng (MS) sẽ bao gồm một thi ết bị đầu cuối di động (MT) và một thi ết bị đầu cuối (TE). Đầu cuối di động và đầu cuối số liệu có thể được đặt trên hai ph ần tử vật lý riêng biệt. Tuy nhiên MS cũng có thể là một thi ết bị duy nh ất th ực hi ện c ả hai chức năng c ủa MT và TE. Các hệ thống GPRS và GSM phải có kh ả năng tương tác với nhau và chia sẻ ngu ồn tài nguyên với nhau giữa những ng ười sử dụng. Chính vì lý do này, người ta thi ết kế ba kiểu thiết bị đầu cuối (ứng với ba chế độ làm việc khác nhau của tr ạm di động) được định ngh ĩa là: - Nhóm A: Là một MS có thể đồng thời sử dụng các kết nói chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Khi mà tr ạm di động đang trong ch ế độ truy ền gói thì nó có thể cho phép thuê bao th ực hi ện cuộc gọi mà không phải ngắt quá trình truy ền số liệu. Ki ểu thiết bị này có th ể sẽ không được đư a ra thị tr ường khi mạng GPRS mới được tri ển khai do s ự phức t ạp và giá thành cao. 29
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN - Nhóm B: một MS thu ộc nhóm B có th ể th ực hi ện t ất c ả các d ịch vụ chu yển mạch kênh và chuy ển mạch gói nh ưng tại một th ời điểm chỉ có th ể hỗ trợ một lo ại dịch vụ. Tr ường hợp tr ạm di động đang trong ch ế độ truy ền gói (đang trao đổi dữ li ệu) mà có một cuộc gọi chuy ển mạch kênh đến, để nh ận cuộc gọi đến thì tr ạm di động ph ải tạm dừng việc trao đổi dữ li ệu. Khi cuộc gọi kết thúc, quá trình trao đổi dữ li ệu ti ếp t ục được thực hi ện. - Nhóm C: khi đó tr ạm di động chỉ có thể sử dụng một trong hai loại dịch vụ tại một th ời điểm. Ch ế độ ho ạt động này th ường được áp dụng với các trạm di động chỉ hỗ tr ợ dịch vụ GPRS mà không hỗ tr ợ các d ịch vụ c ủa chuy ển mạch kênh. Tùy theo yêu cầu và đặc điểm của tr ạm di động và kh ả năng của mạng mà tr ạm di động có thể lựa chọn chỉ sử dụng các dụch vụ chuy ển mạch gói ho ặc kết kợp các dịch vụ chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. 2.2.4. Hệ th ống tr ạm g ốc – BSS Hệ thống GPRS sử dụng chung tài nguyên với mạng GSM trên giao diện vô tuy ến. Nghĩa là có thể tr ộn lẫn các kênh chuy ển mạch gói của GPRS với các kênh của chuy ển mạch kênh trong cùng một ô (cell). GPRS có th ể phân tài nguyên động, xen giữa các kho ảng hở trong các phiên làm việc của chuyển mạch kênh, do đó ph ổ tần được sử dụng hiệu qu ả hơn. Với GPRS, nhi ều ng ười sử dụng có thể cùng chia sẻ một kênh vật lý. Ngoài ra các kênh vật lý GPRS chỉ được phân khi c ần truy ền ho ặc nhận dữ li ệu. Hệ thống GPRS đã tận dụng hiệu qu ả cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng GSM. GPRS sử dụng BTS và BSC của mạng GSM. Để có thể truy ền dữ li ệu gói thì cả BTS và BSC, cùng với một số bộ ph ận khác của hệ thống GSM cũ nh ư MSC, VLR, HLR , Đều ph ải nâng cấp về ph ần mềm, ch ỉ riêng BSC ph ải bổ xung thêm về ph ần cứng đó là kh ối kiểm soát gói (PCU). PCU bao gồm cả ph ần cứng và ph ần mềm, nó có nhiệm vụ kiểm soát các kênh số li ệu gói và chia sẻ các kênh vô tuy ến giữa GPRS và GSM. Dữ li ệu chuy ển mạch kênh được gửi qua giao di ện A tới MSC trong khi dữ li ệu gói qua giao diện Gb tới SGSN và mạng đường tr ục GPRS. 2.2.5. Bộ đă ng ký định v ị th ường trú – HLR Bộ đăng ký định vị thường trú (HLR) là cơ sở dữ li ệu chứa các thông tin về thuê bao thu ộc phạm vi qu ản lý của nó. HLR chứa thông tin của tất cả các dịch vụ chuy ển mạch kênh và chuy ển mạch gói. Các thông tin trong HLR bao gồm: Các dịch vụ mà 30
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN thuê bao đăng ký, bộ ba tham số nh ận thực, thuê bao có sử dụng dịch vụ chuy ển mạch gói hay không, tên của điểm truy cập (APN) hay dịch vụ Internet (ISP), địa chỉ IP tĩnh (nếu có) được phân bố cho tr ạm di động, vị trí hiện thời của thuê bao , các thông tin về thuê bao s ẽ được trao đổi gi ữa HLR và SGSN. 2.2.6. Nút hỗ trợ d ịch vụ chu yển m ạch gói di động – SGSN Hi ện tại ở Vi ệt Nam có hai nút hỗ tr ợ dịch vụ chuy ển mạch gói di động (SGSN). SGSN 1 – Ha Nội và SGSN 2 – Tp.HCM là hai thành ph ần chính của mạng GPRS thực hiện các ch ức năng qu ản lý di động, nh ận thực và đăng ký. SGSN là điểm truy nh ập dịch vụ tới mạng GPRS cho thuê bao GPRS. SGSN kiểm soát việc chuyển đổi giao thức từ giao thức IP dùng trong mạng Internet thành các giao th ức SNDCP là LLC sử dụng giữa MS và SGSN. Những lớp này kiểm soát việc nén và mã hoá. SGSN còn chuy ển ti ếp thu phát từ MS tới các mạng khác qua SGSN hoặc cổng ra ngoài. SGSN giám sát mọi thuê bao nằm trong vùng ph ục vụ của nó. Một SGSN thực hi ện hầu hết các ch ức năng trong mạng GPRS, gi ống nh ư MSC trong hệ thống GSM, cập nh ật vị trí cho tr ạm di động Các thuê bao GPRS được phục vụ bởi bất kỳ SGSN nào tu ỳ theo vị trí hiện t ại c ủa chúng. SGSN thực hi ện các ch ức năng chủ yếu là: - Quản lý di động: SGSN thực hi ện qu ản lý di động tại các giao diện giữa tr ạm di động và mạng. Các thủ tục quản lý di động gồm: Nh ập mạng, rời mạng của thuê bao, mã hoá, nhận thực người sử dụng, quản lý vị trí hi ện thời của thuê bao , cập nh ật vùng đinh tuy ến (RA) và thủ t ục c ập nh ật RA và LA kết hợp. - Quản lý kết nối logic tới tr ạm di động bao gồm việc quản lý các kênh lưu lượng gói, dịch vụ bản tin ng ắn SMS và báo hi ệu giữa tr ạm di động và mạng. - Quản lý các nguồn tài nguyên kênh vô tuy ến BSS. - Quản lý phiên làm việc, th ủ tục quản lý bao gồm: Kích hoạt, giải kích ho ạt và hiệu chỉnh giao thức dữ li ệu gói (PDP). Vi ệc kích ho ạt giao thức số li ệu gói sẽ thi ết lập một kênh dữ li ệu ảo giữa thi ết bị đầu cuối số li ệu với một GGSN thích hợp - Truyền và định tuy ến các gói tin đi và đến các trạm di động trong vùng ph ục vụ của mình. Các gói tin từ SGSN sẽ được định tuy ến tới BSC và qua BTS rồi tới tr ạm di động (MS). - Bảo mật đường truy ền vô tuy ến bằng các thủ t ục nhận thực và mã hoá. - Lựa chọn GGSN thích hợp cho tr ạm di động dựa trên các thông tin nh ư: ki ểu giao thức số li ệu gói, tên điểm truy cập (APN) và các tham số cấu hình. SGSN sử dụng 31
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN một máy ch ủ DNS trên mạng đư ờng tr ục GPRS để tìm ra GGSN ph ục vụ cho APN được yêu cầu. Sau đó SGSN sẽ thi ết lập một đường hầm (GTP) nối tới GGSN vừa tìm được để thực hi ện các công việc xử lý ti ếp theo nh ư kết nối với một máy ch ủ trên mạng số li ệu bên ngoài. - Kết nối t ới các nút mạng GSM khác như là: MSC, HLR, BSC, SMS – SC - Đưa ra các thông tin tính c ước: SGSN ghi nhận các thông tin v ề c ước sử dụng tài nguyên vô tuy ến của tr ạm di động. Cả SGSN và GGSN đều ghi các thông tin về cước sử dụng tài nguyên mạng c ủa t ừng tr ạm di động. - Thực hi ện các ch ức năng của bộ đăng ký định vị tạm trú: SGSN thực hi ện tất cả các ch ức năng giống nh ư chức năng của VLR (trong mạng GSM) cho các dịch vụ chuy ển mạch gói di động. Nghĩa là SGSN chứa các thông tin về vị trí hiện thời c ủa thuê bao cũng nh ư các thông tin về thuê bao tạm trú. Khi tr ạm di động chuy ển tới vùng phục vụ SGSN mới, SGSN này (giống VLR) gửi các yêu cầu tới HLR của MS đó và yêu cầu HLR gửi các thông tin về MS. Các thông tin này được SGSN lưu tr ữ trong suốt quá trình thuê bao di chuyển trong vùng ph ục vụ của nó. Khi trạm di động cần truy ền số li ệu thì SGSN có thể cung c ấp ngay các thông tin cần thiết về thuê bao đó. 2.2.7. Nút hỗ trợ chu yển m ạch gói di động c ổng – GGSN GGSN là một phần tử mạng GPRS có chức năng kết nối hệ thống mạng GPRS tới các mạng ngoài (mạng Internet, X.25). Thông thường GGSN là một Bộ định tuy ến (Router) mạnh, có dung lượng lớn. GGSN đóng vai trò nh ư một bộ định tuy ến để cho các mạng ngoài có thể kết nối với SGSN. Do đó GGSN phải có chức năng truy cập mạng. Cụ thể là GGSN liên kết với các ph ần tử ở mạng ngoài như: Các bộ định tuy ến, các máy ch ủ RADIUS (dùng cho nh ận thực), các máy ch ủ ph ục vụ GGSN phải th ực hiện định tuy ến gói tin đến đúng SGSN và chuy ển đổi giao thức gi ữa mạng GPRS với các mạng ngoài. Nếu địa ch ỉ là không chính xác thì số li ệu sẽ bị loại bỏ. Các gói tin từ MS được GGSN định tuy ến đi t ới mạng đích. GGSN thực hi ện các ch ức năng c ơ bản sau: - Kết nối với mạng IP bên ngoài: GGSN có nhiệm vụ kết nối thuê bao với các mạng IP bên ngoài thông qua một máy ch ủ truy cập. Máy ch ủ truy cập sẽ sử dụng đó là một máy ch ủ RADIUS (hoặc DHCP) để phân bố địa ch ỉ IP động đến thuê bao. - Bảo mật IP (IPSec): Đặc tr ưng bảo mật IP (là biện pháp bảo mật được thực hi ện tại lớp IP) cho phép truy ền dẫn một cách an toàn giữa GGSN với SGSN và gi ữa GGSN 32
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN với các máy ch ủ và các bộ định truy ến ở mạng ngoài. Điều này là cần th iết khi mà các thuê bao GPRS muốn kết nối với các mạng ngoài hay các mạng riêng ảo (VPN). Nó cũng t ăng c ường tính b ảo mật trong việc quản lý di động giữa nút hỗ trợ dịch vụ chuy ển mạch gói di động (GSN) và hệ thống qu ản lý. IPSec cho phép mã hoá toàn bộ dữ li ệu truy ền tải trên mạng, chống lại những truy cập trái phép, đảm bảo độ tin cậy, tính toàn vẹn và nhận thực được nguồn gốc của dữ li ệu. - Quản lý phiên làm việc: GGSN hỗ tr ợ các th ủ tục quản lý phiên làm việc bao gồm: Kích ho ạt, giải kích hoạt và hi ệu chỉnh giao thức số li ệu gói. - Đưa ra dữ li ệu tính cước (CDR) GGSN có nhi ệm vụ ghi nh ận các thông tin về cước liên quan tới vi ệc sử dụng tài nguyên của các mạng bên ngoài đối với từng thuê bao di động. Cả GGSN và SGSN đều ghi nh ận các thông tin về cước liên quan tới vi ệc sử dụng tài nguyên của bản thân mạng di động. - Chức năng bức tường lửa (firewall): Khi GGSN kết nối với mạng ngoài, có nhiều sự chọn lọc gói được thực thi để ch ống lại mọi sự tấn công và xâm nhập trái phép từ bên ngoài. Các thông tin được sử dụng để lọc gói bao gồm: Địa chỉ ngu ồn, địa ch ỉ đích, giao thức, số li ệu c ổng Các ch ức năng của SGSN và GGSN có thể kết hợp lại trong cùng một nút GSN duy nh ất ho ặc cũng có th ể tách riêng thành hai ph ần khác nhau. Mối quan hệ gi ữa SGSN và GGSN có thể mô tả nh ư sau: Một GGSN có th ể thực hi ện ch ức năng giao ti ếp với các mạng dữ liệu gói bên ngoài cho một số SGSN, và ng ược lại cũng có th ể định tuy ến các gói dữ liệu qua một số GGSN khác nhau t ới các mạng d ữ l iệu gói khác. 2.2.8. Cổng đư ờng bi ên – BG Cổng đường biên sử dụng để qu ản lý, bảo mật và định tuy ến các gói tin liên quan tới GPRS và vi ệc truy ền gói dữ li ệu tới mạng GPRS khác. BG có thể là một Router có sẵn để qu ản lý với giao diện Gp tới mạng ngoài. Có thể có một hoặc nhi ều BG trong một mạng GPRS. BG hoạt động nh ư một điểm truy cập mạng trong trường hợp kết nối các mạng GPRS với nhau. Chức năng của BG th ường được tích hợp trong GGSN và nó sử dụng cùng một bộ định tuy ến với GGSN. Do vậy, các giao diện vật lý cũng được dùng chung để truy ền số li ệu, để tăng kh ả năng xử lý, BG và GGSN có thể được đặt trên hai phần t ử vật lý riêng biệt. 2.2.9. Đơ n v ị ki ểm soát gói - PCU Đơn vị kiểm soát gói được nâng cấp từ hệ thống BSS hi ện hành. PDU thực hi ện chức năng qu ản lý gói tin GPRS trong BSS. Cụ thể là qu ản lý các lớp điều khiển truy 33
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN nh ập trung gian (MAC) và điều kh iển liên kết vô tu yến (RLC) của giao di ện vô tuy ến cũng nh ư các lớp BSSGP và dịch vụ mạng của giao di ện Gb. Giao di ện Gb sẽ kết thúc tại PCU. PCU bao gồm cả ph ần cứng và ph ần mềm. PCU có thể có một hoặc nhi ều bộ vi xử lý (RPP). Một RPP có thể đặt cấu hình để làm việc với cả giao diện Gb và giao diện Abis ho ặc chỉ làm việc với giao diện Gb. Chức năng của RPP là phân ph ối các khung PCU gi ữa Gb và Abis. Nếu nh ư PCU chỉ có một RPP thì RPP này sẽ làm việc với cả hai giao diện Gb và A-bis. Nếu nh ư PCU có nhiều RPP thì mỗi RPP có thể làm việc với giao di ện Abis hoặc c ả giao di ện Abis và giao di ện Gb. 2.2.10. Trung tâm chu yển m ạch di động/b ộ đă ng ký t ạm trú – MSC/VLR MSC và VLR kết nối tr ực ti ếp tới SGSN qua giao di ện Gs và kết nối gián ti ếp qua BSS s ử dụng giao di ện A và Gb. Giao di ện GSM được sử dụng trong tr ường hợp máy đầu cu ối sử dụng đồng th ời cả chuy ển mạch gói trên mạng GPRS và chuy ển mạch kênh trên mạng GSM. Khi đó, giao diện Gs sẽ kết nối cơ sở dữ liệu của MSC/VLR và SGSN. Giao di ện Gs được sử dụng để nh ận bi ết các thông tin về vị trí của tr ạm di động đang sử dụng đồng th ời các dịch vụ chuy ển mạch kênh và các dịch vụ chuy ển mạch gói của mạng GPRS. Giao di ện Gs cũng được sử dụng để thực hi ện một số thủ tục chuy ển mạch kênh thông qua SGSN. Ví dụ trạm di động thu ộc nhóm A và B sử dụng vả các dịch vụ chuy ển mạch kênh và chuy ển mạch gói, với trường hợp này thì giao di ện Gs s ẽ k ết h ợp các th ủ t ục qu ản lý di độ ng chuy ển mạch kênh và chuy ển mạch gói. 2.2.11 . Trung tâm nh ận th ực – AUC AUC là một phần tử của mạng GSM thực hi ện chức năng nh ận thực và mã hoá dữ li ệu để bảo vệ mạng chống l ại vi ệc sử dụng trái phép. Th ủ tục nhận thực của mạng GPRS và mạng GSM là giống nhau. Việc thay đổi ph ương thức bảo mật trên mạng GPRS chỉ liên quan đến ph ần mã hoá. Tuy nhiên việc thay đổi này không đòi hỏi bất c ứ một sự thay đổi nào của AUC. Do đó AUC trên mạng GPRS không c ần nâng cấp. Đối với mạng GPRS, người ta định ra một thuật toán A5 mới cho việc mã hoá, khác với thuật toán A3 và A8 dùng để nh ận thực và mã hoá của AUC của mạng GSM. Điều này có nghĩa là SGSN cũng nh ư máy đầu cuối GPRS phải hỗ tr ợ thuật toán A5 m ới. 34
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 2.2.12. SMS – GMSC và SMS – IWMSC SMS – GMSC và SMS – IWMSC không bị ảnh hưởng khi thực hi ện dịch vụ SMS trên GPRS. SGSN sẽ kết nối tới SMSC qua giao di ện Gd, thực chất là một giao diện MAP. Giao diện Gd cho phép tr ạm di động nh ập mạng GPRS có thể gửi và nh ận SMS trên kênh GPRS. 2.2.13. Thanh ghi n hận d ạng th iết b ị – EIR Bộ đăng ký nh ận dạng thiết bị cũng là một phần tử của mạng GSM trong đó chứa một cơ sở dữ li ệu và nh ận dạng ph ần cứng (IMEI) của tr ạm di động, mục đích là không cho phép các máy điện tho ại bị đánh cắp sử dụng trên mạng. Trên mạng GPRS, EIR được kết nối tới SGSN thông qua giao di ện Gf. Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu, đa số các nhà cung cấp cơ sở hạ tầng mạng GPRS không hỗ tr ợ giao di ện Gf. Do đó EIR v ẫn giữ nguyên chức năng nh ư trên mạng GSM. 2.3. Các giao di ện trong mạng GPRS Hình 2 – 4: mô tả các gíao diện giữa các nút mạng GPRS được xác định bởi ETSI nh ư sau. SMS - GMSC SMSC - IWMSC E C D MSC/VLR HLR Gr Gd Gc A Gs Abis Gn Gi BTS BSC + PCU SGSN GGSN TE Gb PDN Um Gn Gf Gp EIR SGSN GGSN MS Other PLMN Giao diÖn b¸ o hiÖu Giao diÖn b¸o hiÖu vµ truyÒn d÷ liÖu Hình 2 - 4: Các giao di ện trong m ạng GPRS Giao diện Um: Là giao diện giữa MS và BTS và nó là giao diện quan tr ọng nh ất quy ết định đến chất l ượng dịch vụ. Giao diện A: Là giao diện giữa BSC và MSC thông qua một bộ chuy ển đổi mã TRAU. 35
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Giao diện D: Là giao diện giữa HLR và VLR dử dụng báo hiệu CCS N07 để trao đổi thông tin c ủa các thuê bao di động giữa các cơ s ở dữ li ệu c ủa VLR và HLR. Giao diện C: Là giao diện giữa GMSC và HLR, giao di ện này sử dụng mạng báo hiệu CCS N07. Giao diện E: Là giao diện giữa MSC và GMSC, dùng để thi ết lập việc truy ền dữ li ệu giữa các thuê bao thuộc hai vùng phục vụ c ủa hai t ổng đài khác nhau. Giao di ện Gb: Là giao di ện giữa SGSN và BSS theo phương thức điểm - điểm. Giao diện Gn và Gp: Là giao diện về dữ li ệu của người sử dụng và báo hiệu được truy ền giữa các GSN. Giao di ện Gn được sử dụng khi SGSN và GGSN ở bên trong cùng một mạng di động PLMN còn giao diện Gp được sử dụng khi SGSN và GGSN ở các mạng PLMN khác nhau. Giao diện Gi: Là giao diện giữa GGSN và mạng dữ li ệu gói bên ngoài nh ư các mạng Internet, Intranet. GPRS ở phiên bản hiện tại hỗ tr ợ giao ti ếp tới các mạng IP và các mạng X.25. Giao diện Gs: Là giao diện giữa MSC/VLR và SGSN trong tr ường hợp kết hợp giữa các dịch vụ chuy ển mạch gói (GPRS) và chuy ển mạch kênh (GSM), nh ư việc cập nh ật thông tin về vị trí thuê bao có thể kết hợp thành một th ủ t ục chung. Giao diện Gr: Là giao diện giữa HLR và SGSN để chuy ển các thông tin về hồ sơ thuê bao, địa chỉ SGSN hi ện tại và địa chỉ PDP, ví dụ nh ư khi SGSN thông báo cho HLR về vị trí hiện t ại c ủa tr ạm di động. khi trạm di động đăng ký với một SGSN m ới. Giao diện Gc: Là giao diện giữa HLR và GGSN. Có thể được sử dụng để GGSN hỏi về vị trí hiện t ại và hồ s ơ c ủa thuê bao để c ập nh ật cho b ộ định vị c ủa GGSN. Giao diện Gf: Là giao diện giữa EIR và SGSN để SGSN có thể hỏi về số IMEI của tr ạm di động. Giao diện Gd: Là giao diện giữa trung tâm dịch vụ bản tin ng ắn SMSC và SGSN dùng để chuyển bản tin ng ắn cho d ịch vụ nhắn tin ng ắn. Tất cả các giao diện trên là giao diện trong mạng truy ền số li ệu và được áp dụng cho h ệ thống GPRS trên toàn c ầu. Cấu trúc giao thức gi ữa BSS và SGSN dựa trên chuy ển ti ếp khung, sử dụng ti ện ích các mạch ảo để ghép số li ệu từ nhiều tr ạm di động. Liên kết có thể là điểm – điểm ho ặc đa điểm. Một giao thức BSSGP đặc tr ưng cho GPRS (giao th ức phân hệ tr ạm gốc 36
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN GPRS) đư ợc dùng ở đỉnh của khung dữ li ệu. BSSGP cung cấp các khuôn dạng bản ti n, các th ủ tục truy ền số li ệu, các thủ tục tìm gọi và cung cấp các cơ chế cho qu ản lý tuy ến. Cấu trúc giao thức c ủa GPRS được mô t ả ở hình 2 – 5. Trung tâm chuy ển mạch di động và bộ đăng ký định vị tạm trú (MSC/VLR) không cần thiết cho định tuy ến của số liệu GPRS. Tuy nhiên thì MSC/VLR cần thiết cho việc đồng thời khai thác các dịch vụ GPRS và các dịch vụ GSM khác. Hình 2 - 5: C ấu trúc giao t hức trong s ơ đồ truy ền d ẫn GPRS 2.4. Ch ất lượng dịch vụ GPRS Những tham số đánh giá chất lượng của mạng khi thuê bao sử dụng các dịch vụ WAP hay GSM được áp dụng hoàn toàn cho mạng khi triển khai các dịch vụ c ủa GPRS và EDGE. Các đặc tính d ịch vụ GPRS bao gồm: Cơ s ở dữ li ệu c ủa thuê bao. Chất l ượng dịch vụ (QoS). 2.4.1. Cơ s ở d ữ li ệu c ủa thuê bao Lưu giữ các thông tin liên quan đến các dịch vụ mà thuê bao đăng ký và các tham số khác liên quan tới các dịch vụ thuê bao đăng ký có thời hạn. Nó bao gồm các thông tin dưới đây. Các dịch vụ đăng ký (PTP – CLNS, PTP – CONS). Cơ sở dữ li ệu liên quan tới chất lượng dịch vụ QoS đăng ký (c ấp ưu tiên dịch vụ, độ tin c ậy, tr ễ, thông l ượng). Các yêu cầu về đăng ký dịch vụ của thuê bao có thể thực hi ện tại cơ sở dữ li ệu thuê bao. 37
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGH N 2.4.2. C hất l ượng d ịch vụ (QoS) Sự liên hệ giữa các tham số QoS của người sử dụng với các tham số QoS GPRS là một vấn đề được tri ển khai và các đặc tính GPRS. Một số các thông s ố về QoS như sau: 2.4.2.1. Quyền ưu tiên d ịch vụ (priority) - Quyền ưu tiên dịch vụ xác định mức độ ưu tiên của vi ệc duy trì dịch vụ. Ví dụ trong điều kiện không bình thường (nh ư mạng bị ngh ẽn) các gói bị loại bỏ có thể được nhận dạng. Các m ức độ ưu tiên được định ngh ĩa bao gồm: - Qu yền ưu tiên cao: Dịch vụ đư a ra sẽ đư ợc duy trì trên các điều kiện khác nhau. - Mức ưu tiên bình th ường: Dịch vụ đư a ra sẽ được duy trì trên cấp độ ưu tiên cho nh ững ng ười sử dụng có mức độ ưu tiên th ấp. - Mức ưu tiên th ấp: Dịch vụ đư a ra sẽ được duy trì sau khi thực hi ện hoàn thành các mức ưu tiên cao và ưu tiên bình th ường. 2.4.2.2. Độ tin c ậy Các tham số độ tin cậy xác định các đặc tính truy ền dẫn mà được yêu cầu bởi một ứng dụng. Lớp độ tin cậy định ngh ĩa các kh ả năng sau: Tổn thất, chồng chéo, việc mất thông tin ho ặc sự sai lạc của các đơ n vị dữ li ệu dịch vụ SDUs. Nó được chỉ ra trong bảng 2 – 2. Bảng 2 – 2: Li ệt k ê ba lớp độ tin c ậy d ữ li ệu. Lớp Khả năng Khả năng Khả năng Khả năng Ví dụ về các đặc tính ứng độ tin tổn thất chồng mất thông sai l ạc dụng cậy SDU chéo SDU tin SDU SDU 1 10 -9 10 -9 10 -9 10 -9 Phát hiện lỗi không có kh ả năng hiệu chỉnh lỗi, kh ả năng dung sai lỗi hạn chế. 2 10 -4 10 -5 10 -5 10 -6 Phát hiện lỗi, kh ả năng hiệu chỉnh lỗi hạn chế, kh ả năng dung sai l ỗi t ốt. 38
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN 3 10 -2 10 -5 10 -5 10 -2 Phát hiện lỗi, kh ả năng hiệu chỉnh lỗi và kh ả năng dung sai l ỗi r ất t ốt. Chý ý: Giả sử ứng dụng của người sử dụng dựa trên X.25, có yêu cầu về độ tịn cậy của các đơ n vị dữ li ệu thu ộc phạm vi X.25, sẽ không đúng cho một ứng dụng lớp độ tin cậy với khả năng t ổn thất cao. (a) Bảo vệ chống lại sự cố tràn tầng đệm ho ặc một sự cố giao thức, có một th ời gian lưu giữ tối đa cho mỗi SDU trong mạng GPRS sau khi SDU bị huỷ bỏ. Lượng thời gian lưu giữ t ối đa phụ thuộc các giao thức được sử dụng (TCP/IP). (b) Khả năng sai lạc SDU: Là khả năng một SDU sẽ được đư a t ới người sử dụng mà lỗi không được phát hi ện. 1. Trễ Tr ễ trong GPRS không ph ải do là việc chuyển ti ếp số li ệu được lưu giữ tạm thời ở các nút mạng trong su ốt quá trình truy ền nh ận, do đó việc tr ễ dữ li ệu có th ể xẩy ra do các đặc tính truy ền tải (hoặc do gi ới hạn) của hệ thống và giá tr ị tối đa cho tr ễ trong bình và 95% trễ của vi ệc truy ền tải số li ệu qua mạng GPRS. Bảng 2 – 3 sẽ chỉ ra tham số tr ễ xác định tr ễ truy ền giữa các đầu cuối (end to end) xu ất hi ện trong sự truy ền tải các SDU qua m ạng GPRS. Bảng 2 – 3: Các l ớp tr ễ Trễ (các giá tr ị t ối đa) Lo ại tr ễ Kích thước SDU: 128 octet Kích thước SDU: 1024 octet Trễ truy ền dẫn Trễ 95 % Trễ truy ền dẫn Trễ 95 % trung bình (sec) (sec) trung bình (sec) (sec) 1. (Dự đoán) < 0.5 < 1 .5 < 2 < 7 2. (Dự đoán) < 5 < 25 <15 < 75 3. (Dự đoán) < 50 < 250 < 75 < 375 4. (Nỗ l ực t ốt nhất) Không chỉ rõ 39
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Vi ệc tr ễ n ày chính là t rễ truy nh ập k ênh vô tuy ến ( đư ờng lên) h ay t rễ định thời kênh vô tuy ến (đường xu ống), tr ễ chuy ển kênh vô tuy ến (ph ần đường lên và đường xu ống) và tr ễ truy ền qua mạng GPRS (multihops). Nó không tính đến các trễ truy ền tải trong các mạng bên ngoài. Trễ được đo đạc gi ữa các giao diện Um (cho MS) và Gi (cho FS) khi áp dụng cho việc truy ền t ải “t ừ tr ạm di động t ới tr ạm cố định” và ngược l ại. 2. Thông l ượng Tham số thông lượng định ngh ĩa thông lượng dữ li ệu sử dụng mà ng ười sử dụng yêu cầu. Thông l ương được xác định bởi hai tham s ố: Tốc độ bit lớn nh ất. Tốc độ bit trung bình (bao gồm truy ền tải cụm dữ li ệu, các chu kỳ truy ền khung r ỗng). Tóm lại GPRS là công ngh ệ truy ền dẫn số li ệu gói được đư a vào mạng GSM có sẵn nh ằm tăng kh ả năng truy ền số li ệu của mạng. Khi đó máy di động có thể dùng cả dịch vụ thoại GSM và dịch vụ số li ệu GPRS tốc độ cao bằng cách sử dụng nhiều TS cho số li ệu. Về mặt lý thuy ết tốc độ số li ệu của GPRS có thể đạt khá cao nh ưng trên thực t ế còn phụ thuộc vào kh ả năng và chất l ượng c ủa mạng c ũng nh ư s ố ng ười sử dụng đồng thời cùng chia sẻ tài nguyên mạng. Vì vậy tốc độ trung bình cho số li ệu GPRS thực tế chỉ đạt (khoảng 56 kbps) ở mức tương đươ ng với tốc độ kết nối qua đường điện thoại thông thường. 2.5. Mạng vô tuy ến GPRS Để nâng cao ch ất lượng giao diện vô tuy ến yêu cầu tốc độ dữ li ệu cao của GPRS và truy ền nguyên bản gói tin. Mu ốn thực hi ện điều đó tr ước tiên thì ph ải cải ti ến các ph ương diện của GPRS. Trong phần này chúng ta sẽ gi ải thích sự khác bi ệt gi ữa tr ạm di động có thể chia sẻ cùng một kênh vật lý (đa truy cập), và sự phân chia tài nguyên vô tuyến giữa các dịch vụ chuy ển mạch kênh GSM và dịch vụ GPRS được điều khiển, sau đó là các kênh logic và thực hi ện ánh x ạ kênh logic và kênh vật lý (s ử dụng đa khung). 2.5.1. Đa truy cập v à phân chia tài ngu yên vô tu yến Trong lớp vật lý, GPRS sử dụng mạng GSM kết hợp hai công ngh ệ đa truy cập là FDMA và TDMA với 8 khe thời gian (TS) cho một khung TDMA. Hơn thế nữa, một 40
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN ph ương phá p mới khác đư ợc sử dụng để cấp kênh và đa truy cập. Điều này rất quan tr ọng tác động đến việc thực hi ện trong mạng GPRS. Trong chuy ển mạch kênh GSM. Một kênh vật lý ( ví dụ 1 TS của khung TDMA kế ti ếp) được cấp cố định cho một MS trong khi thực hi ện cuộc gọi, kênh này được phân cho cả đường lên và đường xu ống. GPRS cho phép ph ối hợp phân tài nguyên vô tuy ến một cách mềm dẻo hơn khi truy ền gói. Một máy di động GPRS có thể truy ền trên 8 TS khác nhau của một khung TDMA (chức năng đa khe). Số TS mà MS có thể sử dụng cuộc gọi lo ại đa khe. Thêm vào đó đường lên và đường xu ống được cấp khác nhau. Do đó tài nguyên lưu lượng vô tuyến được c ấp không đối xứng. Một ô hỗ tr ợ GPRS cấp kênh vật lý cho kênh lưu lượng GPRS. Trong tr ường hợp khác, tài nguyên vô tuy ến của một ô được chia sẻ cho tất cả các tr ạm di động (GSM và GPRS) đang ở trong ô này. Ph ần ánh xạ các kênh vật lý cho các dịch vụ GPRS và các dịch vụ chuy ển mạch kênh GSM có thể thay đổi được. Một kênh vậy lý đã được cấp cho việc truy ền GPRS được chỉ rõ trong kênh dữ li ệu gói (PDCH). Số PDCH có thể được thay đổi khi truyền kênh lưu l ượng. Kênh vật lý khi truy ền chuy ển mạch gói chỉ được cấp chính th ức cho MS khi MS gửi và nh ận dữ li ệu gói, kênh này sẽ được gi ải phóng sau khi truy ền tin. Song với nguyên lý cấp kênh động này thì nhiều MS có thể cùng chia sẻ một kênh vật lý, do đó tài nguyên vô tuy ến được sử dụng hiệu qu ả hơn. Sử dụng kênh được điều khiển bởi BSC. Giảm xung đột trên mạng được đư a ra trên đường xu ống với các kênh này có sự thay đổi theo từng lúc. Một cờ tr ạng thái đường lên (UFS) trong phần tiêu đề của các gói đường xu ống tới MS đã chỉ ra cho ng ười sử dụng kênh này trong đường lên. Kênh PDCH được dùng cho MS phụ thuộc vào loại đa khe và c ấp độ dịch vụ (GoS). 2.5.2. Kênh vật lý Hệ thống mạng GPRS sử dụng hoàn toàn giao diện vô tuy ến (air interface) hay là kết nối gi ữa tr ạm di động MS và tr ạm thu phát gốc BTS của mạng GSM có nghĩa là đa truy nh ập theo th ời gian (TDMA) và mỗi khung TDMA được tạo thành bởi 8 khe thời gian (TS) t ần s ố vô tuyến. 41
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Một khe thời gian tần số vô tuy ến của khung TDMA đư ợc gọi là một kênh vật lý. Thông tin gửi đi trên 1 khe th ời gian tần số vô tuy ến được gọi là một cụm (burst). Một kênh v ật lý có thể được sử dụng cho một kênh logic hoặc một phần c ủa kênh logic. Vi ệc ấn định các kênh lưu lượng của GPRS khác với GSM. GPRS cho phép một tr ạm di động truy ền trên nhiều khe th ời gian của một khung TDMA. Điều này cho phép việc ấn định kênh rất linh ho ạt: từ 1 đến 8 TS của một khung TDMA có thể được ấn định cho một tr ạm di động, hơn thế nữa đường lên và đường xu ống được ấn định riêng, điều này cho phép tăng hiệu suất đối với các mạng dữ li ệu không đối xứng. Ví dụ nh ư ứng dụng Web th ường dùng đường xu ống nhiều hơn đường lên. Đối với GSM, một kênh tần số vô tuy ến được ấn định vĩnh viễn cho một thuê bao nh ất định trong th ời gian thực hi ện cuộc gọi cho dù dữ li ệu có được truy ền đi hay không. Ngược lại, đối với GPRS, các kênh tần số vô tuy ến được ấn định khi có các gói dữ li ệu được truy ền đi hoặc nhận và sau đó các kênh tần số vô tuy ến này được gi ải phóng sau khi kết thúc truy ền ho ặc nhận gói tin đó. Đối với truy ền dữ li ệu không liên tục, điều này cho phép sử dụng hiệu qu ả ngu ồn tài nguyên vô tuy ến khan hiếm. Với nguyên tắc này thì nhi ều thuê bao có thể s ử dụng cùng một kênh vật lý. Một ô của GPRS có thể ấn định các kênh vật lý cho lưu lượng GPRS. Kênh vật lý này được bi ểu thị bằng kênh dữ li ệu gói PDCH. Các kênh dữ li ệu gói được tách ra từ tổ hợp các kênh trong ô. Do đó tài nguyên vô tuy ến của ô được chia sẻ cho tất cả các trạm di động GPRS c ũng nh ư các tr ạm di động không ph ải của GPRS. Vi ệc sắp xếp các kênh vật lý cho các dịch vụ chuy ển mạch gói (GPRS) ho ặc các dịch vụ chuy ển mạch kênh (GSM) có thể được thực hi ện một cách linh ho ạt phụ thuộc vào tải hi ện tại, mức độ ưu tiên của các dịch vụ yêu cầu và các khe th ời gian rỗi. Th ủ tục giám sát được thực hi ện để giám sát l ưu l ượng c ủa kênh PDCH trong ô. Dựa vào tải hi ện tại các kênh sẽ được ấn định cho các dịch vụ GPRS với số lượng kênh PDCH có thể thay đổi. Các kênh vật lý hiện không sử dụng cho mạng GSM có thể được ấn định thành các kênh PDCH để tăng số lượng kênh cho các dịch vụ GPRS. Khi có yêu cầu về tài nguyên vô tuy ến có mức ưu tiên cao thì các kênh PDCH có t hể đư ợc ấn định l ại. 2.5.3. Kênh logic Bảng 2 – 4 chỉ ra các kênh logic dữ li ệu gói được định ngh ĩa trong GPRS. Các k ênh logic này thì c ũng được quy ước trong GSM, nó được phân thành hai loại: Các kênh lưu lượng và các kênh báo hiệu (hay kênh điều khiển), kênh báo hiệu có th ể phân thành các 42
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN kênh nh ư kênh điều kh iển qu ảng bá (PBCCH), kênh điều kh iển chung cho gói (PCCCH)và kênh điều khiển dành riêng gói (PDCCH). Bảng 2 – 4: Các kênh logic trong GPRS. Nhóm kênh Kênh Chức năng Hướng Kênh lưu Kênh lưu l ượng PDTCH Lưu l ượng dữ MS ↔ BSS lượng dữ li ệu gói li ệu gói Các kênh Kênh điều khiển PBCCH Điều khiển qu ảng MS ← BSS logic qu ảng bá gói bá gói Kênh điều khiển PRACH Truy cập ng ẫu MS → BSS chung gói nhiên gói (PCCCH) PAGCH điều khiển truy MS ← BSS cập gói PPCH Tìm gọi gói MS ← BSS PNCH Thông báo gói MS ← BSS Các kênh điều PACCH Điều khiển kết MS ↔ BSS khiển dành riêng nỗi gói cho gói PTCCH Điều khiển định MS ↔ BSS thời gói Các kênh lưu lượng gói đư ợc dành tạm thời cho MS. Kênh lưu lượng dữ li ệu gói PDTCH được sử dụng cho việc truy ền số li ệu. Các thông tin báo hiệu mức thấp tương ứng với một thuê bao được truy ền trên kênh PACCH. Các thông tin này bao gồm: Công nhận số li ệu, phân bổ ngu ồn lực hoặc trao đổi thông tin điều khiển công suất Kênh điều khiển qu ảng bá gói PBCCH là duy nh ất đó là kênh báo hiệu điểm - đa điểm từ BSS tới MS, nó được sử dụng bởi mạng để gửi các bản tin về thông tin qu ảng bá hệ thống tới tất cả các cho thuê bao GPRS. PBCCH đư a ra các thông tin qu ảng bá quan trọng về các dịch vụ chuy ển mạch kênh, vì vậy máy di động GSM/GPRS không c ần ph ải l ắng nghe kênh BCCH 43
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Kênh điều kh iển chung cho gói PCCCH truy ền thông tin bá o hiệu cho ch ức năng điều khiển truy cập mạng, ví dụ nh ư cấp cho kênh vô tuy ến, điều khiển truy cập thông thường. Kênh PCCCH bao gồm bốn kênh con là: Kênh truy cập ng ẫu nhiên gói (PRACH) đư ợc MS sử dụng để yêu cầu truy một ho ặc nhi ều kênh PDTCH cho đường lên. Kênh tìm gọi gói (PPCH) được mạng sử dụng bởi BSS để thông báo cho MS về việc truy ền gói trên đường xu ống. Kênh truy cập gói PAGCH được mạng sử dụng để cấp một hoặc nhi ều kênh PTDCH cho MS. Kênh thông báo gói PNCH được mạng sử dụng để thông báo cho một nhóm các MS tr ước khi truyền gói quảng bá phương thức điểm - đa điểm (PTM – M). Hình 2 – 6 ch ỉ ra nguyên lý việc cấp kênh đư ờng lên. Một MS yêu cầu một kênh bằng gửi một yêu cầu kênh gói (Packet Channel Request) trên kênh PRACH ho ặc RACH. Sau đó BSS tr ả lời trên kênh PAGCH ho ặc kênh AGCH. Một yêu cầu kênh gói được hoàn thành, một lưu lượng kh ối tạm thời (TBF) được thi ết lập, khi đó tài nguyên được cấp cho MS và truy ền dữ li ệu có th ể được bắt đầu. Trong khi truy ền, trạng thái cờ đường lên (UFS) trong phần tiêu đề của các kh ối đường xu ống được chỉ ra ở các MS khác rằng kênh PDTCH đường lên này đã được sử dụng. Ở ph ần nh ận, nh ận dạng lưu lượng tạm thời giúp tập hợp lại gói dữ li ệu. Tất cả các gói dữ li ệu đã được truy ền đi TBF và tài nguyên vô tuy ến lại được gi ải phóng. Hình 2 – 7 minh ho ạ thủ tục thực hi ện cho MS. MS BSS Yªu cÇu kªnh PP CH hoÆ c PCH gãi Ph©n t¹m PRACH hoÆc RACH thêi gãi Yªu cÇu tµi PA GCH ho Æc AG CH nguyªn gãi Kh«ng b¾t buéc ChÊp nhËn tµi PACC H nguyªn gãi Kh«ng b¾t buéc Hình 2 – 6: Cấp cho k ênh đư ờng l ên 44
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Kênh điều kh iển dành riêng cho gói (PDCH) là một kênh báo hiệu hai ch iều theo ph ương thức điểm - điểm. PDCH có các kênh là PACCH và PTCCH. Kênh điều khiển kết nối gói (PACCH) nó luôn được cấp để kết hợp với một hoặc nhiều kênh PDTCH. Nó dùng để truy ền thông tin báo hiệu liên quan tới một MS cụ thể nào đó. Kênh điều khiển định thời gói (PTCCH) được sử dụng cho việc đồng bộ khung. MS gửi trên ph ần đường lên của kênh PTCCH (PTCCH/U), truy cập các cụm tới BTS. Từ việc tr ễ của các cụm này, đư a ra giá tr ị chính xác cho việc định thời có thể nh ận được, giá tr ị này sau khi truy ền trên đường xu ống để thông tin cho MS. MS BSS Yªu cÇu t×m PPCH hoÆc PCH gäi gãi Yªu cÇu kªnh gãi PRACH hoÆc RACH Ph©n t¹m thêi gãi PAGCH hoÆc AGCH Tr¶ lêi t×m gäi gãi PACCH Hình 2 – 7: T hủ t ục Truy ền gói t ới MS Vi ệc kết hợp các kênh logic của chuyển mạch kênh và chuy ển mạch gói cũng có thể thực hi ện được ở đây. Nếu PCCCH không thay đổi trong Cell, trạm di động GPRS có thể sử dụng kênh CCCH của chuyển mạch kênh trong GSM để chỉ ra việc truy ền gói. Hơn thế nữa nếu PBCCH không thay đổi, nó có th ể thu được những thông tin cần thi ết c ủa hệ thống t ừ kênh BCCH. Bảng 2 – 5 chỉ ra chi ều dài kh ối và lưu lượng dữ li ệu của các kênh logic trong GPRS. Có bốn sự mã hoá khác nhau (CS – 1 đến CS – 4) được định ngh ĩa cho truy ền dữ li ệu trên kênh PDTCH. 45
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Bảng 2 – 5: Th uộc tính các k ênh logic trong GPRS Lo ại kênh Tốc độ dữ li ệu Độ dài khối (bit) Khoảng cách kh ối (ms) (kbps) PDTCH (CS – 1) 9.05 181 - PDTCH (CS – 2) 13.4 268 - PDTCH (CS – 3) 15.6 312 - PDTCH (CS – 4) 21.6 428 - PACCH Thay đổi PBCCH Sx181.120 181 120 PAGCH Thay đổi 181 PNCH Thay đổi 181 PPCH Thay đổi 181 PRACH (8 bit Thay đổi 8 cụm truy cập) PRACH (11 bit Thay đổi 11 cụm truy cập) 2.5.4. Ánh x ạ các k ênh logic d ữ li ệu gói v ào trong các kênh vật lý Như chúng ta đã bi ết là ánh xạ các kênh logic GSM vào trong các kênh vật lý được thực hi ện bởi hai thành ph ần là: ánh xạ trong mi ền tần số và ánh xạ trong mi ền thời gian. ánh xạ trong mi ền tần số là dựa trên số khung TDMA và các tần số này được cấp cho BTS và MS. Ánh xạ trong mi ền thời gian là dựa vào trong khi định ngh ĩa các cấu trúc đa khung phức trên đầu mỗi khung TDMA. Cấu trúc đa khung cho PDCH bao gồm 52 khung TDMA (với mỗi khung là 8 TS) được chỉ ra trong hình 2 – 8. Tương ứng các TS của PDCH ở bốn khung TDMA liên ti ếp sẽ tạo thành một khối vô tuyến (kh ối B0 – B11) hai khung TDMA được dành riêng cho việc truy ền của kênh PTCCH, và còn lại hai khung là các khung rỗi, một đa khung chi ếm một khoảng thời gian xấp xỉ 240 ms (52x4.615 ms), một khối vô tuyến bao gồm 456 bits. 46
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Phần ánh xạ các kênh logic vào trong kh ối B10 – B11 của đa khung có thể thay đổi từ kh ối này tới khối khác và nó được điều khiển bởi các thông số được quảng bá trên kênh PBCCH. GPRS đã đư a ra định ngh ĩa với các TS có thể được sử dụng bởi một kênh logic. GPRS sử dụng cấu trúc đa khung gồm 52 khung. Trong 52 đa khung này, các khung thứ 13 đều là khung tr ống. Các khung tr ống được dùng để MS xác định mã nhận dạng tr ạm gốc, cập nh ật định thời và đo mức nhi ễu để ph ục vụ mục đích điều khiển công suất. Các khung còn lại được sử dụng cho các kênh logic của GPRS. Vi ệc sử dụng lại c ấu trúc 51 khung cho PCCCH c ũng đã được chuẩn hoá. Hình 2 – 8: C ấu trúc đa khung với 52 khung TDMA 2.5.5. Mã hoá kênh Hình 2 – 9 ch ỉ ra lớp mã hoá của khối RLC/MAC là mã hoá và sắp xếp vào trong 4 cụm (4 burst). Sử dụng mã hoá kênh để bảo vệ dữ li ệu gói khi truy ền chống lại các lỗi và thực hi ện sửa lỗi tr ước (FEC). Công nghệ mã hoá kênh trong GPRS là khá giống với dịch vụ trong GSM thông thường. Một khối mã hoá ngoài, mã xoán trong và bộ nén được sử dụng 47
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Khèi Tiªu ®Ò Bit th«ng tin BSC §é dµi phô thuéc RLC/MAC vµo lo¹i m· M· xo¾n 456, 588 hoÆc 676 bit NÐn Khèi v« tuyÕn 456 bit Côm burst th«ng th−êng burst burst burst burst burst Hình 2 – 9: L ớp vật lý ở giao di ện vô tu yến, kết h ợp m ã, chèn và định dạng cụm Kết hợp bốn bộ mã với các tốc độ mã khác nhau được đư a ra. Các thông số bộ mã hoá được đư a ra trong bảng 2 – 6. Kết quả sau khi mã hoá cho ta được một khối 456 bit, hình 2 – 10 minh hoạ quá trình mã hoá, được giải thích ng ắn gọn trong ph ần dưới đây. Bảng 2 – 6: Mã hoá kênh cho kênh lưu l ượng trong GPRS Bộ Mã hoá Thông Bit Các bit Mã Các bit Tốc độ Tốc độ mã cờ tr ạng tin các chẵn cuối xoán tr ộn mã dữ li ệu thái bit của lẻ ngoài (kbps) đường USF và BSC lên USF BSC CS-1 3 181 40 4 456 0 1/2 9.05 CS-2 6 268 16 4 588 132 ≈2/3 13.4 CS-3 6 312 16 4 676 220 ≈3/4 15.6 CS-4 12 428 16 - 456 - 1 21.4 Đầu tiên bộ mã hoá CS – 2, một trong tất cả 172 bit thông tin của khối RLC/MAC (268 bit với 3 bit cờ trạng thái đường lên (USF)) được t ạo thành 287 bit được sử dụng ở một hệ thống mã khối , và 16 bit chẵn lẻ được thêm vào. USF được sắp xếp mã hoá vào 3 bit đầu tiên của khối thông tin, ti ếp đến là 6 bit thông tin hệ th ống và cu ối cùng là 4 bit zero được thêm vào trong kh ối, các bit cuối cùng c ần thiết cho mã xoắn ti ếp theo. 48
Khoá l uận tốt ngh iệp Đại học công ng hệ - ĐHQGHN Khèi m· M· hãa ChÌn vµo M· NÐn hãa tr−íc USF cuèi bit xo¾n m· Hình 2 – 10: Mã hoá của cá c khối d ữ li ệu GPRS Mã xo ắn làm tốc độ mã của hệ thống chỉ còn bằng 1/2 với khối th ứ 4 được sử dụng để t ạo ra các đa thức t ạo mã là: 3 4 G0(d) = 1 + d + d 3 4 G1(d) = 1 + d + d + d Bộ mã hoá này cũng nh ư là bộ mã hoá thường được sử dụng trong GSM. Mã hoá có thể thực hi ện nh ư hình 2 – 11. ở đây đầu ra của mã xoán có chi ều dài bộ mã là 588 bit. Sau đó 132 bit được gi ảm đi kết quả là trong kh ối vô tuyến có chiều dài là 456 bit. Như vậy t ốc độ mã hoá c ủa bộ mã xoắn là 6 + 268 + 16 + 4 2 r = ≈ 456 3 G0(d) Di V = 2 Cj G1(d) Hình 2 – 11: Nguyên lý mã x oắn Mã hoá của các kênh lưu lượng (PDTCH), một trong bốn bộ mã được lựa chọn, ph ụ thuộc vào chất lượng tín hiệu. Hai cờ được dựng lên trong một cụm bình thường được chỉ ra với bộ mã hoá ng ười sử dụng. Với điều kiện kênh rất xấu, CS – 1 tạo ra tốc độ mã là 9.05 kbit/s trên một TS, nhưng nó là một bộ mã hoá rất đáng tin cậy. Với điều kiện kênh tốt hơn mã xoắn được thực hi ện bởi bộ CS- 4 và chúng ta có th ể đạt được tốc độ lên tới 21.4 kbit/s trên một TS. Do vậy tốc độ dữ li ệu tối đa có thể đạt được là 171.2 kbit/s trêm một khung TDMA. Trên thực tế nhiều ng ười sử dụng cùng chia sẽ các TS, nh ư vậy tốc độ bit sẽ thấp hơn nhiều với những ng ười sử dụng khác nhau. Hơn thế nữa chất lượng của kênh vô tuy ến chắc chắn không luôn cho phép sử dụng bộ mã CS – 4 (hay CS – 4 không hỗ tr ợ cho tất cả các đầu cuối di động ho ặc bởi chức năng mạng), tốc độ dữ li ệu thay đổi phụ thuộc vào nhi ều ng ười sử dụng trên tổng lưu lượng hiện tại của một ô (như số ng ười sử dụng và cùng với những đặc điểm lưu lượng), bộ mã sử 49