Tìm hiểu phát triển của hệ thống gsm

Tài liệu tham khảo chuyên ngành tin học Tìm hiểu phát triển của hệ thống gsm

Từ những năm 60 kênh thông tin di động có dải tần 300 KHz với kĩ thuật

FM ở băng tần 450 MHz được hiệu suất sử dụng phổ tăng gấp 4 lần so với trước

Tháng 12 năm 1971 người ta đưa ra hệ thống cellular kĩ thuật tương tự, điềuchế tần số ở dải tần 850 MHz

Tháng 10 năm 1983 hệ thống ĐTDĐ AMPS (Advanced Mobile PhoneService) của Mỹ đã được đưa vào sử dụng và phát triển mạnh mẽ

Ở châu Âu, các nước Bắc Âu đã phát triển hệ thống cellular NMT (NordicMobile Telephone) với băng tần 450 MHz (NMT - 450) vào năm 1981 và băngtần 900 MHz (NMT - 900) vào tháng 10 năm 1986

Ở nước Anh phát triển hệ thống cellular 900 MHz trên cở sở tiêu chuẩnAMPS của Mỹ với tên gọi TACS (Total Access Communication System) vào năm1985

Tại Tây Đức phát triển hệ thống cellular ở băng tần 450 MHz với tên làC-450 từ tháng 11 năm 1985

Tuy nhiên do nhu cầu ngày càng tăng nhất là về dung lượng, các hệ thốngnày dần dần không thoả mãn được nữa Mặt khác do các tiêu chuẩn của các hệthống không tương thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng như mongmuốn

Trước những vấn đề trên vào tháng 9 năm 1987 trong hội nghị Châu Âu vềbưu chính viễn thông, 17 quốc gia Châu Âu đang sử dụng điện thoại di động số đã

kí một biên bản ghi nhớ làm nền tảng cho mạng thông tin di động số thống nhấttoàn Châu Âu

Năm 1988, viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI - EuropeanTelecommunication Standard Institute) đã thành lập nhóm chuyên trách về dịch vụthông tin di động GSM (Global System for Mobile Telecommunication) Nhómnày có nhiệm vụ đưa ra các tiêu chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động

số GSM dưới hình thức các khuyến nghị lấy các tiêu chuẩn này làm cơ sở chomạng thông tin di động, làm cho chúng tương thích với nhau Thực hiện điều nàyGSM có quan hệ mật thiết với các tổ chức tiêu chuẩn viễn thông khác trên thếgiới

Với GSM việc thực hiện lưu động (roaming) ở châu Âu là hoàn toàn tựđộng, ngoài ra GSM còn cung cấp một số tính năng khác như thông tin số liệu tốc

- Dễ dàng trong triển khai, lắp đặt

- Áp dụng cấu trúc mở cho việc roaming quốc tế

- Cung cấp dịch vụ gia tăng giá trị

Do vậy việc chấp nhận GSM đồng nghĩa với việc thu được lợi nhuận nhanh,

ít chịu rủi ro và thoả mãn được nhu cầu khách hàng

Điều tạo nên sự thành công của hệ thống GSM đó là giải pháp đầu cuối tớiđầu cuối hoàn thiện, từ hạ tầng mạng lưới và dịch vụ đến thiết bị đầu cuối, máy

cầm tay và hệ thống tính cước Qua đó GSM trở thành tiêu chuẩn chung cho hệthống thông tin di động toàn cầu mang lại nhiều dịch vụ di động cho khách hàngđồng thời cũng khẳng định vị thế mạnh mẽ nổi trội của mình trong thị trường cácthế hệ thông tin di động.

GSM tạo ra một hành lanh quan trọng cho sự phát triển lĩnh vực thông tin diđộng trong tương lai, qua việc đưa ra các giải pháp trực tiếp dẫn tới sự phát triểncủa công nghệ TTDĐ thế hệ 3 : GPRS, EDGE và W-CDMA

I.2 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA GSM TRONG THỜI KÌ HIỆN NAY

Vấn đề lớn nhất đặt ra cho các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động GSM

là tốc độ và dung lượng

Hệ thống GSM sẽ không còn duy trì được sức mạnh và thành công củamình nếu như các nhà khai thác sử dụng nhiều thế hệ công nghệ GSM kể trên đểkhai thác trên cùng một nền tảng mạng

Khi số lượng thuê bao tăng lên nhanh và những đỏi hỏi về tốc độ đã bắt đầubộc lộ những hạn chế của hệ thống GSM:

- Chuyển mạch kênh không thích hợp với các tốc độ số liệu cao

- Sự lãng phí tài nguyên do một kênh luôn ở trạng thái mở ngay cả khikhông có lưu lượng đi qua

Do hạn chế về dung lượng của tần số sóng mang (mỗi tần số chỉ cho phéptối đa 8 kênh thoại cùng lúc) và việc sử dụng lại tần số gây ra nhiễu trùng tần số(C/I) nên vấn đề khó khăn đặt ra cho các nhà khai thác dịch vụ ở các thành phốlớn tập trung thuê bao với mật độ lớn là làm thế nào để đáp ứng dung lượng kháchhàng mà không làm suy giảm chất lượng dịch vụ

Nền tảng của việc phân chia lưu lượng, phủ sóng của ĐTDĐ là dựa trên cơ

sở mạng tế bào Khi lưu lượng tăng lên vượt quá khả năng dung lượng của mộttrạm thu phát thì biện pháp giải quyết là phải tăng thêm trạm Vấn đề đặt ra ở đây

là chúng ta chỉ có thể tăng lên đến một mức giới hạn nào đó trong phạm vi khoảng

cách giữa 2 trạm để không bị ảnh hưởng gây ra nhiễu Hay nói cách khác là bánkính của tế bào phủ sóng có giới hạn Nếu vượt quá giới hạn này thì chất lượngdịch vụ sẽ không đảm bảo.

Chính vì các lí do đó nên hiệp hội GSM thế giới cùng với cộng đồng GSMđang tập trung nghiên cứu hình thành một làn sóng công nghệ mới Đó là sự kếthợp thế giới công nghệ thông tin (IT/Internet) với thế giới TTDĐ, qua đó kết hợpsức mạnh kỹ năng, kinh nghiệm của 2 lĩnh vực này để tạo ra hành lang phát triểnmới cho GSM, GPRS, 3G

I.3 CÁC THẾ HỆ TTDĐ TIẾP THEO

Để thực hiện thêm chức năng này cần nâng cấp và lắp đặt thêm một số thiết

bị chuyển mạch kênh dữ liệu và dịch vụ nhắn tin ngắn SMS

Tới nay đã có trên 70 mạng GPRS được khai thác, thương mại hoá GPRS

là công nghệ được sử dụng để cung cấp truyền số liệu với tốc độ cao hơn

GPRS sử dụng đa khe thời gian để tăng việc truyền dữ liệu nhưng GPRSkhông phân bố các khe thời gian này cho một người sử dụng mà nhiều người sửdụng cùng dung chung các khe thời gian để nhận và truyền dữ liệu khi cần Vì vậy

GPRS sử dụng các tần số vô tuyến hiệu quả hơn rất nhiều và làm tăng dung lượngcủa sóng mang.

Tuy nhiên trong phương thức hoạt động của GPRS các ứng dụng của người

sử dụng không được đáp ứng một cách tức thời mỗi khi có yêu cầu mà luôn cómột độ trễ nhất định trong việc truyền dữ liệu Vì vậy GPRS rất thích hợp cho cácdịch vụ chuyển dữ liệu dạng gói như hiển thị Web, truyền tải hình ảnh hoặc dữliệu

Thực tế hiện nay tốc độ truyền tải cao nhất của GPRS khoảng 40 Kbit/s tuynhiên tốc độ này có thể được nâng cao hơn khi có các cải tiến về thiết bị đầu cuối

và áp dụng mã hoá mới

Một đặc tính quan trọng nữa của GPRS là người sử dụng có thể đặt chế độluôn kết nối (always online) Chế độ này không chiếm dụng các khe thời gian màkhe thời gian chỉ được sử dụng khi dữ liệu được truyền đi hay nhận đến nhưng nócho phép sử dụng kết nối dịch vụ liên tục VD: e-mail, intranet

Sự áp dụng dịch vụ gói dữ liệu vô tuyến chung GPRS cho hai chuẩn thế hệhai là GSM và TDMA/136 mặc dầu đã nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 171,2Kbit/s vẫn chưa đáp ứng được chuẩn vô tuyến thế hệ 3 như IMT-2000 do đó sẽhạn chế trong việc ứng dụng dịch vụ đa phương tiện

Dịch vụ GPRS tạo ra tốc độ cao chủ yếu nhờ sự kết hợp của các khe thờigian, cho phép tăng tốc độ truyền lên 8 lần nếu sử dụng cả 8 khe thời gian của tần

số sóng mang Tuy nhiên do kỹ thuật này vẫn dựa vào kỹ thuật điều chế GMSKnguyên thuỷ, kỹ thuật điều chế này làm hạn chế tốc độ truyền và có thể thay thếbằng một kỹ thuật điều chế mới có thể nâng tốc độ điều chế lên 2 đến 3 lần Do đónếu kết hợp việc ghép khe thời gian và thay đổi kỹ thuật điều chế ta sẽ có tốc độtruyền đạt yêu cầu của chuẩn di động thế hệ 3 Đó chính là công nghệ EDGE

Để tăng tốc độ truyền trong EDGE người ta sử dụng kỹ thuật điều chế8PSK thay thế cho kỹ thuật điều chế GMSK Hiên tại GSM/GPRS cung cấp tốc độ

truyền dữ liệu từ 11,2 đến 22,8 Kbit/s cho một khe thời gian EDGE sẽ cho phéptốc độ truyền từ 11,2 đến 59,2 Kbit/s cho một khe thời gian và nếu ghép nhiều khethời gian sẽ cho tốc độ truyền tối đa 384 Kbit/s.

I.3.2 Hướng tới thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Thông tin di động 3GSM là một bộ phận quan trọng trong dòng công nghệ

họ GSM, và hiện đang được ủng hộ mạnh mẽ như là một giải pháp công nghệ tối

ưu cho thông tin di động thế hệ 3

Năm 1992, tại Hội nghị về Thông tin vô tuyến thế giới (WARC), các nước

đã đồng ý phân bổ dải tần dùng cho các hệ thống 3G là băng tần 2 GHz ITU đẫđặt tên cho các hệ thống 3G là IMT-2000, UMTS hay 3GSM/WCDMA Đồngthời các cơ quan về tiêu chuẩn hoá đang xúc tiến việc xây dựng tiêu chuẩn gồmcác tham số để đáp ứng yêu cầu của thông tin di động thế hệ 3 qua dự án có tên3GPP(Third Generation Partnership Project) Tham gia dự án này có nhiều tổ chứctiêu chuẩn của các nước như Liên minh châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, TrungQuốc, Bắc Mỹ Đến nay mạng 3G đầu tiên đã được triển khai tại Nhật Bản Dựkiến các mạng 3G mới sẽ tiếp tục được triển khai trong các năm 2002-2003

- Chuyển mạch gói tốc độ cao, cho phép cung cấp các dịch vụ truyền dữliệu với tốc độ từ 384 Kbit/s tới 2Mbit/s

Di độngthế hệ 3G

- Thoại băng rộng (wideband speech)

- Khả năng thông tin đa phương tiện đầy đủ, cho phép cung cấp các dịch

vụ hỗn hợp gồm cả thoại, dữ liệu và hình ảnh video, cũng như truy nhậpđược vào mạng Internet (WWW)

- Tăng cường các dịch vụ định vị

Hình I.1: Hai phương hướng triển khai thế hệ di động 3G

Theo thống kê của Hiệp hội GSM thế giới, đến nay đã có 80-85% số lượngcác nhà khai thác thông tin di động trên thế giới, và tất cả các nhà khai thác tạichâu Âu lựa chọn 3GSM/WCDMA là tiêu chuẩn mới cho phát triển thông tin diđộng thế hệ 3 Tuy 3GSM được chọn là nền tảng cho mạng thông tin di độngtương lai, nhưng hiện nay các nhà khai thác đang nghiên cứu hướng phát triển đến3G trên cơ sở thực tiễn tận dụng tối đa hạ tầng cơ sở GSM hiện nay qua việc xây

dựng các tiêu chuẩn chuyển tiếp 2,5G như GPRS, EDGE Trong đó nhiều khuyếnnghị chọn GPRS là bước chuyển tiếp trung gian dẫn đến 3G GPRS không phải làđường tắt nhanh nhất để phát triển đến 3G, mà nó giúp cho các nhà khai thác dễdàng thực hiện chuyển đổi thị trường và mạng di động GSM hiện tại theo hướng3G trên cơ sở đảm bảo tối ưu hoá vốn đầu tư, hạ tầng hiện có, đồng thời cũngcung cấp cho khách hàng sử dụng ngay được các dịch vụ mới của mạng 3G.

Một hướng khác để phát triển lên 3G là từ GSM đấu nối trực tiếp với cácmạng vô tuyến WCDMA Phương thức này cho phép sử dụng ngay được hệ thống3G hiện đại tốc độ cao nhưng chi phí để xây dựng rất tốn kém, giá thành dịch vụcao, chậm thu hồi được vốn đầu tư

CHƯƠNG IITỔNG QUAN VỀ MẠNG GPRS

II.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM DỊCH VỤ CỦA GPRS

GPRS cho phép người dùng truyền số liệu từ đầu cuối đến đầu cuối mộtcách hiệu quả với các ứng dụng có tính chất bùng phát Đó là các ứng dụng có mộttrong các tính chất sau đây :

- Truyền số liệu gián đoạn, không có chu kỳ

- Truyền số liệu có chu kỳ với cụm số liệu có kích thước nhỏ

- Truyền số liệu không có chu kỳ với các cụm số liệu có kích thước lớnvài Kb

Trong GPRS có hai loại dịch vụ số liệu được hỗ trợ Đó là:

- Dịch vụ điểm tới điểm PTP

- Dịch vụ điểm tới đa điểm PTM

Dịch vụ phi kết nối cho phép người dùng gửi những gói tin đơn lẻ tới ngườikhác Từng gói tin là những thực thể riêng biệt và không có quan hệ với các gói cótrước hoặc có sau Đây là một loại dịch vụ datagram và việc chuyển các bản tin làđáng tin cậy Loại dịch vụ này hỗ trợ các giao thức Internet IP

bổ động và được điều khiển bởi nhà khai thác.

Với mọi loại dịch vụ mong muốn cung cấp truyền số liệu, các khách hàngtương lai luôn muốn có sự tin cậy rằng họ sẽ được đảm bảo một cách chắc chắn

về chất lượng Do đó các kỹ thuật phải bao gồm các cơ chế giúp cho việc kiểmsoát được tốt Để làm được điều đó người ta đưa ra các thông số QoS thích hợp :

- Mức độ ưu tiên của dịch vụ : cao/trung bình/thấp

- Mức độ tin cậy : cao/trung bình/thấp

- Độ trễ : 4 lớp

- Độ thông tải : tốc độ bit tối đa(IRT) và tốc độ it trung bình

II.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH CỦA GPRS TỪ GÓC ĐỘ NGƯỜI DÙNG

II.2.1 Tốc độ

Theo lý thuyết, tốc độ tối đa có thể đạt được với GPRS là 171,2 Kbps khi cảtám khe thời gian đều được sử dụng đồng thời và không có các biện pháp chốnglỗi Người ta cho rằng, GPRS có thể cung cấp cho người sử dụng các tốc độ từ 9,6

Kbps tới 115 Kbps Tốc độ này lớn gấp khoảng 2 lần tốc độ truyền số liệu hiện tạicủa mạng cố định và gấp khoảng 10 lần tốc độ truyền số liệu trong GSM theophương thức chuyển mạch kênh.

II.2.2 Tính tức thời

Việc truyền số liệu theo phương thức cũ của GSM cần thời gian thiết lập kếtnối từ 20-25 giây GPRS cung cấp các điều kiện thuận lợi cho việc tạo các kết nốitức thời trong đó số liệu có thể được gửi hoặc nhận một cách tức thời ngay khi cầnthiết Đây chính là lí do khiến người dùng cho rằng họ ở tình trạng “luôn kết nối”.Tính tức thời là một ưu điểm của GPRS so với việc truyền số liệu bằng phươngthức chuyển mạch kênh của GSM

II.2.3 Các ứng dụng mới

GPRS cho phép cung cấp nhiều ứng dụng mới cho người dùng Những ứngdụng này trước đây không thể cung cấp cho người dùng do các giới hạn củachuyển mạch kênh GPRS cho phép người dùng có thể duyệt Web, chat, FTP trênmáy tính của họ thông qua mạng PLMN

II.3 Các đặc trưng chính của GPRS từ góc độ mạng

II.3.1 Chuyển mạch gói và hiệu quả sử dụng phổ

GPRS thực hiện truyền số liệu người dùng qua GSM bằng phương thứcchuyển mạch gói Chuyển mạch gói đưa ra những ưu điểm đáng kể so với chuyểnmạch kênh chủ yếu do bản chất không đối xứng và không liên tục của số liệu cầntruyền qua mạng

Chuyển mạch kênh Chuyển mạch gói

Hình II.1: Sự khác biệt giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

Trong chuyển mạch gói nhiều kênh truyền được dùng chung và được chia

sẻ cho nhiều người sử dụng mạng GPRS cho phép một người dùng có thể chiếmdụng cả 8 khe thời gian để truyền số liệu mặt khác cũng có thể chia sẻ cho 8 ngườidùng

Hiện tại mạng GSM dựa trên các kết nối chuyển mạch kênh và do đó sửađổi cấu trúc mạng là cần thiết để hỗ trợ công nghệ chuyển mạch gói của GPRS.Tuy nhiên các đặc tính vật lí quen thuộc và căn bản của giao diện vô tuyến gầnnhư không bị thay đổi mặc dù một loạt các kênh vô tuyến GPRS mới đã được địnhnghĩa thêm Tài nguyên vô tuyến của mạng có thể được chia sẻ “động” giữa cácdịch vụ thoại và các dịch vụ số liệu Như vậy số người dùng thực sự mà một cellphục vụ phụ thuộc vào ứng dụng nào đang thực hiện và bao nhiêu số liệu cầntruyền Điều này giúp giảm bớt số kênh dự phòng cho giờ cao điểm trong một cell

so với chuyển mạch kênh

Từ hình vẽ cho ta thấy khác biệt cơ bản giữa phương thức chuyển mạch kênh

và chuyển mạch gói Trong khi chuyển mạch theo phương thức kênh cung cấpmột đấu nối trong toàn bộ thời gian phục vụ thì chuyển mạch gói chỉ cung cấp đấunối khi có nhu cầu truyền các gói tin

II.3.2 Kết nối mạng số liệu

GPRS có thể kết nối với các mạng số liệu X.25 và các mạng IP Nhưng ta

có thể thấy rằng phần lớn lưu lượng truyền tải qua mạng GPRS sẽ từ Internet hoặctập hợp các Intranet và dưới dạng gói IP Lúc đó mạng GPRS sẽ đóng vai trò như

là một mạng con của Internet với các MS GPRS được coi như các máy đầu cuối

Do các ứng dụng trên Internet đều có thể thực hiện qua GPRS nên các nhà khaithác mạng PLMN có cơ hội để trở thành các nhà cung cấp dịch vụ Internet khôngdây

II.3.3 Hỗ trợ cả TDMA và GSM

Cần chú ý rằng GPRS không chỉ có thể triển khai trên GSM mà các mạngPLMN theo tiêu chuẩn TDMA/IS-136 hiện đang phổ biến ở Bắc Mỹ cũng có thểtriển khai GPRS để tiến tới 3G

II.4 CÁC HẠN CHẾ CỦA GPRS

III.4.1 Dung lượng cell giới hạn cho tất cả người dùng

GPRS có ảnh hưởng mạnh đến dung lượng cell hiện tại của mạng Tàinguyên vô tuyến trong một cell là hữu hạn lại được sử dụng cho cả dịch vụ thoại

và số liệu Điều này sẽ làm giảm số kênh giành cho dịch vụ thoại Sự ảnh hưởngnày phụ thuộc vào số khe thời gian dự trữ cho GPRS

II.4.2 Trễ chuyển tiếp

Các gói GPRS được truyền đi bằng nhiều đường khác nhau tới đích Trong quátrình truyền có thể có gói bị thất lạc và phải truyền lại Đó chính là nguyên nhân

có thể gây ra trễ truyền dẫn trong GPRS Điều này làm cho các ứng dụng cầnvideo trở nên kém chất lượng

II.4.3 Tốc độ trong thực tế thấp hơn

Tốc độ tối đa GPRS đạt được theo lý thuyết là 171,2 Kbps khi một người dùngchiếm cả 8 khe thời gian và không có lỗi Điều này là không có thực trong thực tế

Do đó tốc độ sẽ thấp hơn và phụ thuộc vào nhà khai thác cũng như thiết bị

II.5 CÁC ỨNG DỤNG CHO GPRS

Chat : Nhiều thành viên trong mạng PLMN có xu hướng sử dụng dịch vụ

phi thoại để bày tỏ ý kiến của mình GPRS cho phép người dùng có thể tham giavào các phòng chat có sẵn trên mạng Internet Người dùng có thể sử dụng dịch vụPTM-M cho mục đích này

Truyền các thông tin văn bản và hình ảnh : Các thông tin như : quảng cáo,

giá cả, thời tiết, kết quả thể thao, giao thông có thể chuyển tới người sử dụng.Các thông tin này không nhất thiết phải ở dạng văn bản mà có thể là hình ảnh,biểu đồ hoặc các bản tin này dài quá 160 ký tự Lúc đó GPRS sẽ được lựa chọnthay thế cho SMS

Ảnh tĩnh : Các bức tranh, ảnh, thiệp mừng có thể truyền qua mạng di

động như là trong mạng cố định

Internet Intranet PDN

Duyệt Web : Duyệt Web với chuyển mạch kênh không thể được ứng dụng

lâu dài Vì tốc độ hạn chế của chuyển mạch kênh, nên Web Browser phải mấtnhiều thời gian để chờ thông tin GPRS cho phép cải thiện điều này

Truy nhập mạng LAN từ xa : Với tốc độ và tính tức thời của GPRS, người

dùng hoàn toàn có thể truy nhập và lấy thông tin từ mạng LAN của họ ra trong khiđang di chuyển hoặc không ở gần máy tính của mình

Truyền file : Ứng dụng này bao gồm mọi hình thức download số liệu qua

mạng di động Số liệu có thể là tài liệu hoặc là phần mềm chương trình Nguồn sốliệu có thể là các site FTP thông thường cũng có thể là Telnet, HTTP, cơ sở dữliệu của công ty

OMC BSS GSS GPRS

Hình II.2: Cấu trúc Logic mạng GSM/GPRS.

GPRS là dịch vụ chuyển mạch gói chung thực hiện trên mạng GSM, nó chophép máy di động truy nhập được vào mạng Internet và các mạng dữ liệu gói PDN

khác Việc triển khai GPRS đòi hỏi sự thay đổi lớn trong kiến trúc mạng GSM đểcho phép mạng làm việc được với cả số liệu của chuyển mạch kênh và số liệuchuyển mạch gói Ba thực thể mới được thêm vào mạng Đó là :

- GGSN : Gateway GPRS Support Node

- SGSN : Serving GPRS Support Node

- PCU : Parket Control Unit

Các phần tử này liên kết với các phần tử của mạng GSM thông qua một loạtcác giao diện mới định nghĩa Các giao diện mới định nghĩa cho GPRS đều bắtđầu bằng tiền tố G

II.6.1.1 Các chức năng chính của GGSN

- Quản lí di động

- Quản lí phiên.

Chức năng này cung cấp khả năng để quản lí các Packet Data Protocol (PDP)Context trong các nút SGSN và GGSN Nó bao gồm các thủ tục kích hoạt, thayđổi và ngưng kích hoạt PDP Context Chỉ có GGSN mới có quyền kích hoạt PDPContext Nếu PDP Context chưa có địa chỉ tĩnh thì GGSN có thể cung cấp một địachỉ tạm thời hoặc lấy một địa chỉ từ vùng phục vụ (Radius Server) của ISP choPDP Context