GPRS cung cấp 1 nguyên tắc truyền dần các gói tin trong truyền thông vô tuyến giữa các thiết bị di động của GSM với các mạng chuyển mạch gói khác GPRS được triển khai trên nền mạng GSM l
Trang 1HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIẾN THÔNG
Khoa Kỹ thuật điện tử 1
BÁO CÁO Chuyên đề xử lý tín hiệu và truyền thông
Đề tài : Nghiên cứu cấu trúc và chức năng dịch vụ GPRS
Sinh viên thực hiện : Lương Kim Khánh
Nguyễn Thanh Hòa
Vũ Hồng Trung GVHD: Nguyễn Quý Sỹ.
Hà Nội, 24/03/2011
Trang 2BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI: DỊCH VỤ VÔ TUYẾN GÓI CHUNG GPRS
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới mọi mặt của đời sống xã hội đều phát triển, không những vềkinh tế, khoa học tự nhiên mà còn rất nhiều lĩnh vực khác Ngành thông tin liên lạc được coi là ngành mũi nhọn cần phải đi trước một bước, làm cơ sở cho các ngành khác phát triển Nhu cầu trao đổi, cập nhật thông tin của con người ở mọi nơi mọi lúc ngày càng cao Thông tin di động ra đời và phát triển đã trở thành một loại hình dịch vụ, phương tiện thông tin phổ biến, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống hiện đại Các hệ thống thông tin
di động đang phát triển rất nhanh về cả qui mô, dung lượng và đặc biệt là các loại hình dịch vụ mới để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng
Hiện nay ở Việt Nam, mạng di động số thế hệ thứ hai ( 2G), sử dụng công nghệ GSM, đang phát triển rộng khắp các tỉnh và thành phố GSM với tốc độ 9,6 kbps chỉ áp dụng được các dịch vụ thoại và dịch vụ bản tin ngắn, hạn chế nhiều dịch vụ phi thoại yêu cầu tốc độ cao như hình ảnh, văn bản và đặc biệt là nhu cầu truy cập Internet…Hiện nay,
do tốc độ truyền số liệu cao của Internet, cần có một giải pháp đảm bảo các dịch vụ truyền số liệu trên cơ sở gói hiệu quả hơn Một trong số các giải pháp đó là Dịch vụ vô tuyến gói trung GPRS Trong đề tài này nhóm em nghiên cứu về “ Cấu trúc và chức năngdịch vụ GPRS”
Trang 3Chương I: Giới thiệu GPRS
1.Khái niệm GPRS
GPRS (General Packet Radio Service) :là 1 chuẩn dữ liệu gói trong hệ thống
GSM do ủy ban Châu Âu (ETSI) đưa ra GPRS cung cấp 1 nguyên tắc truyền dần các gói tin trong truyền thông vô tuyến giữa các thiết bị di động của GSM với các mạng chuyển mạch gói khác GPRS được triển khai trên nền mạng GSM là mạng chuyển mạch kênh.Chuyển mạch gói cắt dữ liệu thành các gói tin rồi truyền độc lập đến người sử dụng
2 Đặc điểm của mạng GPRS:
*) Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn:
Tốc độ của GPRS có giới hạn từ 14,4 kbps (sử dụng một khe thời gian ) đến 115 Kbps (sử dụng tổng hợp các khe thời gian ) Tuy nhiên tốc độ cực đại theo lý thuyết có thể đạt được là 171,2 kbps khi sử dụng đồng thời 8 khe thời gian cho các thiết bị di động Tốc độ này lớn gấp 3 lần tốc độ truyền dữ liệu qua các mạng cố định và mười lần so với các mạng GSM hiện nay Bằng cách gán chức năng GPRS cho phép thông tin được truyền nhanh hơn, hiệu quả hơn, cước phí sử dụng GPRS sẽ ít hơn Nhưng trung bình tốc
độ chỉ khoảng 56kbps , phụ thuộc vào việc cấp phát tài nguyên cho từng thuê bao Tốc
độ dữ liệu cao hơn cho phép thuê bao sử dụng thêm nhiều dịch vụ
*)Luôn luôn kết nối:
Trang 4Truy cập mạng GPRS không cần thủ tục thiết lập kết nối mạng trước khi gửi và nhận dữ liệu Đặc tính này cho phép dữ liệu được gửi và nhận ngay khi có yêu cầu
*)Tính trực tiếp:
Các phương tiện GPRS kết nối khi thông tin được gửi và nhận trực tiếp Đối với
mạng Internet muốn truy cập cần có một modem kết nối Nhưng đối với mạng GPRS không cần modem kết nối quay số vẫn có thể truy cập vào các mạng công cộng và các mạng cơ vụ
*)Đánh địa chỉ IP động:
Người sử dụng di động có một địa chỉ mạng dữ liệu tĩnh hoặc động và lưu lượng
dữ liệu sẽ luôn sử dụng gateway do địa chỉ này chỉ dẫn
*) Các dịch vụ được ưu tiên hóa:
- Mức độ ưu tiên của dịch vụ : Cao/trung bình/thấp
- Độ trễ
- Độ tin cậy
- Thông lượng: tốc độ bit tối đa và tốc độ bit trung bình
*) Hỗ trợ nhiều ứng dụng:
Cho phép thuê bao truy cập tất cả các ứng dụng Internet như các dịch vụ mail,
chat qua mạng di động, các dịch vụ hình ảnh động, các dịch vụ cung cấp thông tin…
3.Một số ứng dụng GPRS:
- Chat: Cho phép người sử dụng di động sử dụng ngay các nhóm chat Internet hiện có
mà không cần thiết lập một nhóm chat của riêng mình
-Các dịch thông tin về văn bản và đồ họa: Nội dung thông tin trong các dịch vụ này là
giá cổ phiếu , kết quả thể thao, bản tin thời tiết…
-Hình ảnh tĩnh: như tranh, ảnh ( được scan hoặc từ máy camera số), bưu thiếp…
-Chia sẻ tài liệu và cộng tác làm việc từ xa: cho phép mọi người ở những nơi làm việc
khác nhau cùng sử dụng một tài liệu về vấn đề liên quan tới chuyên môn như ngành y tế, báo chí, phòng cháy chữa cháy,…
Trang 5-Audio reports: cho truyền thông quảng bá và phân tích, các clip hình ảnh và âm thanh
chất lượng cao ( ví dụ để phục vụ cảnh sát làm bằng chứng), yêu cầu kích thước file lớn cần có tốc độ truyền cao
-Email tập thể: cho phép các nhân viên có thể truy nhập hệ thống email cục bộ từ Lan
của họ trong một cơ quan
-Lan: cho phép mọi nhân viên ứng dụng bằng máy tính cá nhân trong toàn công ty -Internet email: hầu hết người sử dụng Internet email không được thông báo có thư mới
trên máy di động Họ phải quay số định kỳ để check mail Tuy nhiên bằng cách kết nối Internet sử dụng cơ chế cảnh báo như SMS hay GPRS, người sử dụng sẽ được thông báo khi có thư mới
vụ này hoặc riêng biệt hoặc kết hợp Như vậy ta có thể chia người sử dụng GPRS thành
ba loại
-Loại A: hỗ trợ các dịch vụ GSM và GPRS (như SMS và thoại)đồng thời Sự
hỗ trợ này gồm truy nhập, giám sát,lưu lượng
-Loại B: Hỗ trợ đồng thời việc nhập mạng GPRS và nhập mạng GSM,nhưng
không cho phép sử dụng đồn thời cả hai dịch vụ
-Loại C: Có thể nhập mạng GPRS hoặc GSM nhưng không thể nhập đồng
thời cả hai mạng
Trang 6-PCU: là đơn vị điều khiển gói, chịu trách nhiệm đối với một số chức năng liên quan đến
GPRS như : điều khiển truy nhập giao diện vô tuyến, lập biểu gói trên giao diện vô tuyến,lắp ráp và lắp ráp lại gói PCU có thể được đặt tại BTS, BSC hay tại SGSN tại SGSN
-Gb: giao diện giữa SGSN và BSC, dùng để chuyển giao báo hiệu và các thông tin điều
khiển cũng như lưu lượng của người sử dụng đến và từ SGSN
-Gc: Giao diện giữa GGSN và HLR, có thể yêu cầu thông tin vị trí từ HLR thông qua
giao diện này
Trang 7-Gd: giao diện giữa SMSC(trung tâm dịch vụ bản tin ngắn – Short Message Service
Center) và SGSN, giao diện này cho phép các thuê bao GPRS phát và thu các bản tin ngắn trên mạng GPRS
-Gn: GGSN Là điểm giao diện với các mạng số lệu gói bên ngoài Như vậy số liệu của
người sử dụng vào hoặc ra mạng thông tin di động mặt phẳng đất PLMN sẽ đi qua một GGSN.Một SGSN có thể giao diện với một hay nhiều GGSN là Gn Đâu là giao diện trên
cơ sở IP được sử dụng giao thức xuyên đường hầm GPRS Giao diện này truyền xuyên sốliệu giữa SGSN và GGSN qua mạng đường trục IP
-Gr: SGSN sử dụng giao diện Gr để cập nhật vị trí các thuê bao GPRS ở HLR và để nhận
được thông tin đăng ký của thuê bao liên quan đến GPRS đối với mọi thuê bao nằm trongvùng phục vụ của SGSN
-Gs: Giao diện SGSN và MSC, làm tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng và tài
nguyên vô tuyến khi có sự kết hợp giữa mạng GSM và GPRS Mục đích của GS là đảm bảo sự kết hợp giữa MSC/VLR và GPRS cho các thuê bao sử dụng cả các dịch vụ chuyểnmạch kênh được điều khiển bởi MSC/VLR và các dịch vụ số liệu chuyển mạch gói điều khiển bởi GPRS
-Um: giữa MS và phần cố định của GPRS
3.Các phần tử trong mạng GPRS:
a)SGSN (Serving GPRS Support Node):
-Có cùng mức MSC
-Lưu giữ vị trí của từng MS
-Thực hiện các chức năng quản lý di động
-Thực hiện nhận thực
-Thực hiện mã hóa
-Cung cấp điều khiển truy nhập
SGSN liên kết với trạm hệ thống BSS bằng Frame Relay (giao diện Gb) truyền cácgói dữ liệu tới các thiết bị di động trong vùng phục vụ nó SGSN cũng giao diện với HLR
để lấy các thông tin thuê bao SGSN có chức năng phát hiện các thiết bị di động mới vào phục vụ và duy trì các thông tin vị trí trong các vùng phục vụ đó Trong quá trình kết nối
Trang 8với mạng (GPRS attach), SGSN thiết lập chức năng quản lí di động chứa các thông tin liên quan di động và bảo mật cho MS Khi kích hoạt PDP context, SGSN thiết lập PDU PDP context để định tuyến tới GGSN phục vụ thuê bao GPRS SGSN có thể gửi thông tin vị trí tới MSC/VLR và nhận yêu cầu nhắn tin từ MSC/VLR qua giao diện Gs.
b) GGSN (Gateway GPRS Support Node):Chức năng chính của GGSN là :
- Hỗ trợ giao thức định tuyến cho dữ liệu máy đầu cuối
- Giao tiếp với các mạng dữ liệu gói IP bên ngoài
- Cung cấp chức năng bảo mật mạng
- Quản lý phiên GPRS theo mức IP, thiết lập thông tin đến mạng bên ngoài
- Cung cấp dữ liệu tính cước (CDRs)
Khi dữ liệu được truyền từ mạng PDP tới mạng GSM , địa chỉ PDP đầu vào sẽ chuyển thành địa chỉ đích GSM Các gói được đánh địa chỉ lại này gửi từ GGSN tới SGSN tương ứng Để hỗ trợ chức năng định tuyến cho người sử dụng, GGSN lưu các địa chỉ của SGSN trong thanh ghi dịch vị trí Hơn nữa, GGSN cũng thực hiện chức năng nhận thực và tính cước GGSN có thể yêu cầu cung cấp thông tin vị trí từ HLR qua giao diện Gc, GGSN là điểm đầu tiên kết nối PDN với mạng PLMN (điểm thao chiếu Gi)
c) Mạng Backbone – mạng đường trục GPRS: dùng để kết nối các giữa node
SGSN,GGSN và các mạng dữ liệu bên ngoài Có hai loại mạng backbone
Mạng đường trục là mạng IP cơ sở Có hai loại mạng đường trục GPRS:
-Mạng đường trục PLMN cục bộ ( Intra – PLMN Backbone Network): là mạng IP liên kết nối các GSN trong cùng một mạng PLMN
-Mạng đường trục PLMN liên mạng ( Inter - PLMN Backbone Network ): là mạng
IP liên kết nối các GSN trong các mạng PLMN khác nhau
Mạng Intra – PLMN Backbone Network là một mạng IP riêng biệt chỉ dành cho dữ liệu vào báo hiệu GPRS Mạng IP riêng biệt là mạng Ip mà sử dụng một cơ chế điều khiển truy nhập nào đó để đạt được mức bảo mật theo yêu cầu Hai mạng Intra – PLMN
Backbone Network được kết nối qua giao diện Gp sử dụng Border Gateway (BG) với một mạng Inter - PLMN Backbone Network Mạng Inter - PLMN Backbone Network được lựa chọn theo yêu cầu chuyển vùng roaming, bao gồm chức năng bảo mật BG Thông thường BG bao gồm một firewall có chức năng bảo vệ mạng và một bộ định tuyến
Trang 9(router) phục vụ việc lựa chọn mạng BG không được định nghĩa trong phạm vi GPRS Inter - PLMN Backbone Network là một mạng IP cơ sở, ví dụ mạng IP cá nhân hay mạngInternet công cộng sử dụng kênh thuê riêng – leased line.
HLR được nâng cấp, chứa các thông tin định tuyến và dữ liệu thuê bao GPRS
HLR có thể truy nhập với SGSN qua giao diện Gr và với GGSN qua giao diện Gc Đối với việc roaming của MS, cần có HLR nằm trong mạng PLMN khác với mạng PLMN iệnthời của SGSN Toàn bộ các thuê bao MS đều sử dụng HLR nằm trong mạng chủ PLMN
MSC/HLR: có thể được cải tiến nhằm tăng tính hiệu quả trong việc phối hợp các
dịch vụ GPRS với các dịch vụ phi GPRS cũng như cải thiện chức năng bằng việc sử dụnggiao diện Gs, trong đó sử dụng các thủ tục BSSSAP+ là một phần thủ tục BSSAP thông thường
e) SMS – GMSC và SMS – IWMSC: Việc nhắn tin cuộc gọi chuyển mạch kênh có thể
được thực hiện hiệu quả hơn thông qua SGSN, như vậy nó có thể kết hợp việc cập nhật
dữ liệu vị trí cho cả các thur bao GPRS và non – GPRS SMS – GMSC và SMS –
IWMSC được kết nối tới SGSN cho phép MS gửi và nhận SM qua các kênh vô tuyến
4.Cấu trúc giao thức GPRS:
SGSN không chỉ giao diện với BSC để truyền gói tới và nhận gói về từ MS mà còn có các giao diện logic trực tiếp giữa MS và SGSN: cho báo hiệu (mặt phẳng báo
Trang 10hiệu) và cho truyền số liệu (mặt phẳng truyền dẫn), mặc dù về mặt phẳng vật lý các giao diện này đều đi qua BSS
Đây là một cấu trúc giao thức phân lớp để truyền thông tin của người sử dụng và thực hiện các thủ tục liên quan đến điều khiển như: Điều khiển luồng, phát hiện lỗi, sửa lỗi và phục vụ gói bị lỗi
Mặt phẳng truyền dẫnMặt phẳng truyền dẫn
*)SGSN – GGSN :
Mạng GPRS backbone đóng gói dữ liệu và truyền giữa các GSN thông qua giaothức GTP (GPRS Tunneling Protocol) đồng thời giao thức này cũng truyền các tín hiệubáo hiệu liên quan Ở trong mặt phẳng truyền dẫn, GTP tạo một đường hầm (tunnel) đểtruyền gói dữ liệu và cung cấp giao thức để khiển và quản lý đường hầm
Các gói GTP mang gói IP của người dùng hay gói X.25 Ở lớp dưới GTP, giaothức chuẩn TCP/UDP được dùng để truyền dẫn gói GTP trong mạng xương sống GPRS.X.25 cần đường truyền tin cậy (reliable data link) nên TCP được dùng UDP là giao thứckhông đảm bảo (unreliable) dùng để truy cập vào mạng dữ liệu gói trên nền IP Giaothức IP ở lớp mạng được sử dụng để định tuyến gói dữ liệu qua mạng xương sống Cácgiao thức Ethernet, ISDN và ATM phải hoạt động dưới IP
*) Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP): dùng để truyền dữ liệu
giữa SGSN và MS Giao thức này có các chức năng:
- Ghép nhiều kết nối của lớp mạng vào một đường kết nối logic ảo của lớp LLC bêndưới
- Nén – giải nén dữ liệu và bỏ các phần header (mào đầu) không cần thiết
Air Interface (Giao diện không gian): xem xét lớp data link (liên kết số liệu) và lớp
physical (vật lý) ở giao diện Um
a) Lớp Data Link:
Trang 11- LLC - Logical Link Control – Điều khiển kết nối logic (giữa MS – SGSN): cung cấpcác đường kết nối logic tin cậy cao (highly reliable logical link) giữa các MS và SGSN.Chức năng của nó dựa trên giao thức HDLC, bao gồm: kiểm soát liên lạc, phân phối,kiểm soát lưu lượng, phát hiện lỗi và truyền lại (ARQ – Automatic Repeat reQuest) Lớpnày cung cấp các chức năng mã hóa dữ liệu và cho phép truyền các khung có chiều dàithay đổi Cả chế độ truyền dữ liệu có xác nhận và không xác nhận đều được hỗ trợ Giaothức này phần lớn nâng cấp theo giao thức LAPDm trong GSM.
- RLC/MAC (giữa MS – BSS): hỗ trợ cả hai chế độ hoạt động xác nhận và không xác
nhận:
+ Chức năng chính của lớp RLC (Radio Link Control – Điều khiển kết nối vôtuyến) là thiết lập đường truyền tin cậy giữa MS và BSS, bao gồm phân chia và kết hợplại khung LLC trong khối dữ liệu RLC và phát thông báo ARQ đối với các từ mã khôngsửa sai được
+ Lớp MAC (Medium Access Control) điều khiển quá trình truy cập của MS trongkênh vô tuyến Nó dùng các thuật toán để phân giải tranh chấp, ghép nhiều người dùng ởPDTCH và lập quyền ưu tiên dựa trên yêu cầu về QoS
b Lớp vật lý: lớp vật lý giữa MS và BSS được phân thành 2 lớp con là PLL (Physical
Link Layer ) và RFL (physical RF Layer).
- PLL (Physical Link Layer – lớp liên kết vật lý) cung cấp kênh vật lý giữa các MS vàBSS Lớp này có nhiệm vụ: mã hóa kênh (phát hiện, truyền thông tin sửa lỗi (ForwardError Correction – FEC), đánh dấu các từ mã không sửa được), phát hiện nghẽn kết nốivật lý
- RFL (physical RF Layer) hoạt động ở dưới lớp RLL một trong số các chức năng của
nó là mã hóa và giải mã
BSS – SGSN
Lớp dịch vụ mạng NS truyền tải các BSSGP PDU Điều khiển đoạn nối vo tuyếnRLC đảm bảo đoạn nối tin cậy phụ thuộc vô tuyến còn lớp điều khiển truy nhập môitrường MAC điều khiển các báo hiệu truy nhập cho các kênh vô tuyến và chuyển đổi cáckhung LLC vào các kênh vật lý của GSM thông qua các kênh logic được tạo lập
BSSGN (BSS GPRS Application Protocol): phân phối thông tin định tuyến vàthông tin QoS liên quan giữa BSS và SGSN Giao thức Network Service ở lớp dưới hoạtđộng dựa trên giao thức Frame Relay
Trang 12Chương III:Các chức năng mạng GPRS
1)Các chức năng điều khiển truy nhập mạng:
Truy nhập mạng là một phương thức mà một người sử dụng kết nối với mạng để
có thể sử dụng các dịch vụ và các phương tiện của mạng đó Giao thức truy nhập là một tập xác định các thủ tục cho phép khai thác các dịch vụ và phương tiện mạng
Người sử dụng truy cập GPRS có thể từ bên di động hoặc bên cố định của mạng GPRS Giao diện phía mạng cố định có thể hỗ trợ nhiều giao thức truy nhập tới các mạng
dữ liệu ngoài (X.25, IP) Phần quản lý của mỗi PLMN có thể yêu cầu các thủ tục điều khiển truy nhập riêng cho phép người truy nhập mạng hay giới hạn thuê bao sử dụng các dịch vụ
a)Chức năng đăng ký ( Regitration Function):
Đăng ký là phương thức mà người sử dụng IP Mobile ( nhận dạng di động) để liênkết với các giao thức và địa chỉ của gói dữ liệu trong mạng PLMN cũng như liên kết với