Nghiên cứu mạng thông tin di động 3G – WCDMA

Công nghệ viễn thông đang có những bước phát triển tuyệt vời, nó đã và đang mang đến cho con người những ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực kinh tế, giáo dục, văn hóa, y học, thông tin quảng ba,… Nhiều năm gần đây, nền công nghệ viễn thông đã trăn trở vế vấn đề phát triển công nghệ căn bản nào và dùng mạng gì để hỗ trợ các nhà khai thác trong bối cảnh nhu cầu dich vụ ngày càng cao và cạnh tranh ngày càng gia tăng mạnh mẽ. Khái niệm mạng thế hệ mới 3G – WCDMA ra đời cùng với việc tái kiến trúc mạng, tận dụng tất cả các ưu thế về công nghệ tiên tiến nhằm đưa ra nhiều dịch vụ mới, góp phần giảm chi phí khai thác và đầu tư ban đầu cho các nhà kinh doanh. Với mong muốn tìm hiểu kỹ hơn về 3G – WCDMA trong di động nên em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp: “ Nghiên cứu mạng thông tin di động 3G – WCDMA” Nội dung các đồ án bao gồm các nội dung: - Nghiên cứu xu hướng phát triển của mạng thông tin di động - Mạng thông tin di động GSM/GPRS - Mạng thông tin di động 3G – WCDMA Qua đây, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giao TS. Nguyễn Quý Sỹ trong quá trình em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của minh. Do hạn chế về trình độ và thời gian, đồ án của em không khỏi tránh được nhiều khiếm khuyết, hy vọng sau khi ra trường, bằng kiến thức thực tế em sẽ có điều kiện tìm hiểu sâu sắc hơn.

MỤC LỤC

Mục lục i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2

1.1 Sự phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA 2

1.1.1 GSM 2

1.1.2 GPRS 2

1.1.3 EDGE 4

1.1.4 WCDMA hay UMTS/FDD 5

1.2 Kết luận Chương I 9

CHƯƠNG II: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM/GPRS 10

2.1 Giới thiệu 10

2.2 Cấu trúc của hệ thống GSM 10

2.2.1 Hệ thống trạm gốc BSS 10

2.2.2 Hệ thống chuyển mạch SS 11

2.2.3 Trạm di động MS 11

2.2.4 Hệ thống khai thác và bảo dưỡng mạng (OMC) 12

2.3 Cấu trúc địa lý của mạng 12

2.4 Quá trình xử lý các tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến 12

2.5 Giao diện vô tuyến (Um) 13

2.5.1 Tổ chức các kênh vô tuyến 13

2.5.2 Các loại kênh logic (Dữ liệu và điều khiển) 14

2.5.3 Mã hóa kênh và điều chế 15

2.5.4 Tổ chức khung trong GSM 16

2.5.5 Truyền các kênh logic trên các kênh vật lý 16

2.6 Mô tả quá trình thiết lập một cuộc gọi trong mạng GSM 16

2.6.1 Trạm di động (MS) thực hiện cuộc gọi: 16

2.6.2 MS nhận cuộc gọi 17

2.7 Dịch vụ số liệu trong GSM 19

2.8 Bảo mật trong GSM 19

2.8.1 Đánh số nhận thực thuê bao và các vùng mạng 19

2.8.2 Nhận thưc thue bao 19

2.9 Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) 20

2.9.1 Cấu trúc mạng GPRS 21

2.9.2 Giao diện và giao thức trong mạng GPRS 24

2.9.3 Cấu trúc đa khung của giao diện vô tuyến GPRS 25

2.9.4 Các kênh logic trong GPRS 25

2.9.5 Các kịch bản lưu lượng GPRS 26

2.9.6 Thiết lập PDP Context (phiên số liệu gói) 30

2.10 Kết luận chương II 31

CHƯƠNG III: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG W-CDMA (3G) 32

3.1 Mở đầu 32

3.2 Mô hình tham khảo mạng W-CDMA 32

3.2.1 Cấu trúc mạng cơ sỏ W-CDMA trong 3 GPP 1999 32

3.2.2 Kiến trúc mạng phân bố của 3GPP phát hành 4 34

3.2.3 Kiến trúc mạng đa phương tiện IP và 3GPP 35

3.2.4 Kiến trúc mạng di động toàn IP phát hành 2000 36

3.3 Các kỹ thuật xử lý số và truyền dẫn vô tuyến số ở hệ thống thông tin di động thế hệ ba 37

3.3.1 Sơ đồ khối của một thiết bị thu phát vô tuyến số trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba 37

3.3.2 Mã hóa kiểm soát lỗi và đan xen 38

3.3.3 Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) 39

3.3.4 Điều khiển công suất và chuyển giao 41

3.4 Lớp vật lý của W-CDMA 42

3.4.1 Mở đầu 42

3.4.2 Trải phổ và ngẫu nhiên hoá ở các kênh vật lý 43

3.4.3 Các mã định kênh 44

3.4.4 Các kênh vật lý đường lên và đường xuống 45

3.5 Hoạt động của các kênh vật lý 51

3.6 Cấu trúc mạng W-CDMA UMTS 53

3.6.1 Cấu trúc tổng quát 53

3.6.2 Các phần tử cơ bản của mạng W-CDMA UMTS và các giao diện 53

3.6.3 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS, UTRAN 55

3.7 Giao diện vô tuyến (Uu) 57

3.8 Thiết lập một cuộc gọi trong W-CDMA UMTS 57

3.9 Các phiên số liệu của W-CDMA UMTS 60

3.10 Kết luận chương III 60

KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tóm tắt quá trình phát triển lên WCDMA 2

Hình 1.2 kiến trúc GSM 2

Hình 1.3 Triển khai GPRS trên nền mạng GSM 3

Hình 1.4 kiến trúc 2.5G GPRS/EDGE 4

Hình 1.5 Triển khai EDGE 5

Hình 1.6 Triển khai WCDMA 6

Hình 1.7 Kiến trúc 3G-WCDMA R3 (R99) 7

Hình 1.8 Kiên trúc 3G-WCDMA R4 7

Hình 1.9 Kiến trúc 3G-WCDMA R5 8

Hình 1.10 Sự phát triển của mạng 3GPP 8

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống GSM 10

Hình 2.2 Cấu trúc địa lý của mạng 12

Hình 2.3 Xử lý tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến ở MS 12

Hình 2.4 Cấu trúc các kênh logic ở giao diện vô tuyến 14

Hình 2.5 Tổ chức khung trong GSM 16

Hình 2.6 Cấu trúc mạng GPRS 21

Hình 2.7 Nhập mạng GPRS 28

Hình 2.8 Nhập mạng GSM/GPRS kết hợp 30

Hình 3.1 Kiến trúc mạng trong 3GPP phát hành 1999 33

Hình 3.2 Kiến trúc mạng phân bố của 3GPP phát hành 4 34

Hình 3.3 Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP 35

Hình 3.4 Kiến trúc mạng di động toàn IP phát hành 2000 36

Hình 3.5 Sơ đồ khối máy phát vô tuyến (a) và máy thu vô tuyến (b) 38

Hình 3.6 Mô hình hệ thống DS-CDMA 40

Hình 3.7 Điều khiển công suất ở CDMA 41

Hình 3.8 Chuyển giao mềm 42

Hình 3.9 Chuyển giao mềm hơn 42

Hình 3.10 Quan hệ giữa trải phổ và ngẫu nhiên hoá 43

Hình 3.11 Cấu trúc cây của mã định kênh 44

Hình 3.12 Sơ đồ tổng quát trải phổ và ghép kênh vật lý 47

Hình 3.13 Phần bản tin của kênh vật lý PRACH 47

Hình 3.14 Sơ đồ kênh PCPCH cho phần bản tin 48

Hình 3.15 Điều chế đường lên 48

Hình 3.16 Sơ đồ khối tổng quát trải phổ kênh vật lý đường xuống trừ kênh SCH 48

Hình 3.17 Sơ đồ khối ghép kênh vật lý đường xuống 49

Hình 3.18 Sơ đồ điều chế QPSK cho đường xuống 50

Hình 3.19 Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 50

Hình 3.20 Giao diện giữa các lớp cao hơn và lớp vật lý 51

Hình 3.21 Cấu trúc tổng quát hệ thống W-CDMA trong 3GPP 1999 53

Hình 3.22 Các phần tử cơ bản của mạng W-CDMA UMTS 53

Hình 3.23 Cấu trúc UTRAN 55

Hình 3.24 Các chức năng logic của RNC đối với một kết nối UTRAN 56

Hình 3.25 Thủ tục thiết lập cuộc gọi ở W-CDMA UMTS 58

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A/D Analog/Digital Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự

thành sốAGC Automatic Gian Control Tư điều khuếch

AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập

AICH Acquisition Indication Channel Kênh chỉ thị bắt

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ

AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSIC Basic station Indentity Code Mã nhận dạng trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CD/CA-ICH Collision Detection/Channel Kênh chỉ thị ấn định kênh/Phát

Assignment Indicator Channel hiện xung độtCDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CPCH Common Physical Channel Kênh vật lý chung

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CRC Cyclic Redundancy Check Mã dịch vòng

CSCF Call state Controll Function Chức năng điều khiển trạng thái

cuộc gọiCSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh chỉ thị trạng thái CPCH

CSPDN Circuit Switch Public Data Mạng số liệu công cộng chuyển

D/A Digital/Analog Bộ chuyển đổi tín hiệu số thành

Tương tựDCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DPCCH Dedicatde Physical Control Kênh điều khiển vật lý riêng

ChannelDPCH Dedicate Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPCH Downlink Physical Channel Kênh vật lý đường xuống

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh vật lý số liệu riêng

DRNC Drift Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến trôi

DS SS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

DS-CDMA Direct Sequence-Code Division Đa truy nhập phân chia theo mã

Multiple Access trai phổ chuỗi trực tiếpDSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Tốc độ số liệu tăng cường để phát

EIR Equipment Identity Register Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị

ETSI European Telecommunication Viện tiêu chuẩn viễn thông

Standard Institute Châu ÂuFACCH Fast Assocrated Control Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GMSC Gateway Mobile Service Trung tâm chuyển mạch các dịch

Switching Center vụ di động cổngGPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn

GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức xuyên đường hầm

GPRSHLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSCSD High Speed Circuit Switched Số liệu chuyển mạch kênh số liệu

HSS Home Subscriber Server Dịch vụ thuê bao thường trú

(Đăng ký thường trú)

IF Intermediate Frequency Trung tần

IMSI Internation Mobile Station Nhận dạng trạm di động quốc tế

Identity

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISDN Integrated Service Digital Mạng số liên kết đa dịch vụ

NetworkIWF Interworking Function Chức năng tương tác mạng

LAI Location Area Identity Nhận dạng vùng định vị

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian

MGCF Media Gateway Control Chức năng điều khiển cổng các

MRF Multimedia Resuorce Function Chức năng tài nguyên đa phương

Tiện

MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch các dịch

Vụ di đôngMSIN Mobile Station Identity Number Số nhận dạng trạm di động

MSRN Mobile Station Random Number Số lưu động của trạm di động

OMC Operation and Management Hệ thống khai thác và bảo dưỡng

PACCH Packet Associated Control Kênh điều khiển liên kết gói

ChannelPAGCH Packet Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập gói

PCCCH Packet Common Control Kênh điều khiển chung gói

ChannelP-CCPCH Primary Common Control Kênh vật lý điều khiển chung sơ

PCPCH Physical Common packet Kênh vật lý gói chung

ChannelPCU Packet Control Unit Khối điều khiển dữ liệu gói

PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared Kênh vật lý chia sẻ đường xuống

ChannelPDTCH Packet Data Traffic Channel Các kênh lưu lượng số liệu gói

PICH Paging Indicator Channel Kênh chỉ thị tim gọi

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động công cộng mặt đắt

PRACH Physical Random Access Kênh truy nhập vật lý ngẫu nhiên

ChannelPRACH Packet Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên gói

PSPDN Packet Switch Public Data Mạng số liệu công cộng chuyển

PSTN Public Switch Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

RAB Radio Access Bearer Vật mạng truy nhập vô tuyến

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RANAP Radio Access Network Phần ứng dụng mạng truy nhập

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (cao tần)

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RSC Recursive Systematic Bộ mã hóa xoắn hệ thống hồi quy

ConvoltionalR-SGW Roaming Signaling Gateway Cổng báo hiệu chuyển mạng

S-CCPCH Secondary Common Control Kênh vật lý điều khiển chung thứ

SGSN Serving GPRS Support Note Điểm hỗ trợ GPRS phục vụ

SMS-GMSC Short Message Service Tổng đài di động có cổng cho

Gateway Mobile Switching dịch vụ bản tin ngắnCenter

SMS-IWMSC Short Message Service Tổng đài di động liên mạng cho

Interworking mobile dịch vụ bản tin ngắn Switching Center

SRNC Serving Radio Network Bộ điều khiển mạng vô tuyến

TCP Tranmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

TMSI Tempoary Mobile Station Số nhận dạng thuê bao di động

TRAU Transcoder Rate Adaptor Unit Khối thích ứng tốc độ chuyển đổi

mãT-SGW Transport Signaling Gateway Cổng báo hiệu truyền tải

UMTS Univesal Mobile Hệ thống viễn thông di động toàn

Telecommunication System cầuUPCH Uplink Physical Channel Kênh vật lý đường lên

USIM UMTS Subscriber Identity Mô-đun nhận dạng thuê bao

ModuleUTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến mặt đắt

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định tạm trú

W-CDMA Wideband Code Divition Đa truy nhập vô tuyến phân chia

Multiple Access theo mã băng rộng

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ viễn thông đang có những bước phát triển tuyệt vời, nó đã và đangmang đến cho con người những ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực kinh tế, giáo dục,văn hóa, y học, thông tin quảng ba,… Nhiều năm gần đây, nền công nghệ viễn thông

đã trăn trở vế vấn đề phát triển công nghệ căn bản nào và dùng mạng gì để hỗ trợ cácnhà khai thác trong bối cảnh nhu cầu dich vụ ngày càng cao và cạnh tranh ngày cànggia tăng mạnh mẽ Khái niệm mạng thế hệ mới 3G – WCDMA ra đời cùng với việc táikiến trúc mạng, tận dụng tất cả các ưu thế về công nghệ tiên tiến nhằm đưa ra nhiềudịch vụ mới, góp phần giảm chi phí khai thác và đầu tư ban đầu cho các nhà kinhdoanh

Với mong muốn tìm hiểu kỹ hơn về 3G – WCDMA trong di động nên em đãchọn đề tài đồ án tốt nghiệp: “ Nghiên cứu mạng thông tin di động 3G – WCDMA”

Nội dung các đồ án bao gồm các nội dung:

- Nghiên cứu xu hướng phát triển của mạng thông tin di động

- Mạng thông tin di động GSM/GPRS

- Mạng thông tin di động 3G – WCDMA

Qua đây, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầygiao TS Nguyễn Quý Sỹ trong quá trình em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của minh

Do hạn chế về trình độ và thời gian, đồ án của em không khỏi tránh được nhiềukhiếm khuyết, hy vọng sau khi ra trường, bằng kiến thức thực tế em sẽ có điều kiệntìm hiểu sâu sắc hơn

Hà Nội, Ngày 14 tháng 11 năm 2008

CHƯƠNG I

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Sự phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một tiêu chuẩn thôngtin di động thế hệ 3 của IMT-2000 được phát triển chủ yếu bởi Châu Âu Mục đích củaWCDMA là cho phép các mạng cung cấp khả năng chuyển vùng toàn cầu và để hỗ trợmột dải rộng các dịch vụ thoại, số liệu và dịch vụ đa phương tiện Các mạng WCDMAmới được xây dựng trên sự thành công của GSM và tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có củanhững nhà khai thác GSM Quá trình phát triển về dịch vụ và mạng là từ mạng GSMhiện này,qua giai đoạn phát triển GPRS và cuối cùng tiến lên mạng WCDMA Quátrình này có thể tóm tắt bằng sơ đồ sau:

Hình 1.1 Tóm tắt quá trình phát triển lên WCDMA

1.1.1 GSM

Hình 1.2 kiến trúc GSM

Giai đoạn đầu của quá trình phát triển GSM là phải đảm bảo dịch vụ số liệu tốthơn Tồn tại hai cơ chế dịch vụ số liệu : chuyển mạch kênh (CS : Circuit Switched) vàchuyển mạch gói (PS : Packet Switched)

Để thực hiện kết nối vào mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụng giao thức ứngdụng vô tuyến (WAP : Wireless Application Protocol)

1.1.2 GPRS

GPRS (General Packet Radio Service) là một hệ thống vô tuyến thuộc thế hệ2,5G, nhưng vẫn là một hệ thống 3G nếu xét về mạng lõi Mạng này tăng cường đáng

kể các dịch vụ số liệu GSM bằng cách cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói

“từ đầu cuối tới đầu cuối” xác thực với tốc độ truyền lên tới 171,2kbps (tốc độ số liệuđỉnh) và hỗ trợ các giao thức Internet TCP/IP và X.25

Tích hợp GPRS vào mạng GSM đang tồn tại là một quá trình khá đơn giản.Một phần các khe thời gian trên giao diện vô tuyến được dành cho GPRS, cho phépghép kênh số liệu gói được lập lịch trình trước đối với một số trạm di động Phân hệtrạm gốc chỉ cần nâng cấp một phần nhỏ liên quan đến khối điều khiển gói (PCU-Packet Control Unit) để cung cấp khả năng định tuyến gói giữa các đầu cuối di động

và các nút cổng (Gateway) Một nâng cấp nhỏ về phần mềm cũng cần thiết để hỗ trơcác hệ thống mã hóa kênh khác nhâu.

Mạng lõi GSM được tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh được mở rộngbằng cách thêm vào các nút chuyển mạch số liệu và nút cổng mới, được gọi là GGSN(Gateway GPRS Support Node) và SGSN (Serving GPRS support Node) Tuy nhiên,kết quả đạt được bảo đảm việc chuyển thẳng tới 3G, vì mạng lõi chuyển mạch kênhtốc độ cao được cung cấp bởi GPRS và EGDE có thể được UMTS sử dụng gần nhưhoàn toàn, và vì thế, thể hiện sự an toàn về đầu tư cho nhà khai thác GPRS là mộtcông nghệ đã “trưởng thành” và là một giải pháp đã được chuẩn hóa hoàn toàn với cácgiao diện mở

Điều kiện đặt ra là nha khai thác đã phải có là một mạng GSM rộng khắp Nhucầu dịch vụ dữ liệu của thuê bao chủ yếu là các dịch vụ dữ liệu tốc độ trung bình (tới115kbps) Hạ tầng mạng đã triển khai là rất lớn Nhà khai thác muốn tận dụng tối đa hạtầng hiện có cho dịch vụ dư liệu

Về kỹ thuật, hệ thống mạng truy nhập của GSM được giữ nguyên và chỉ cầnnâng cấp phần mềm Cụ thể BTS, BSC phải được nâng cấp phần mềm, MS phải cóchức năng GPRS Phân hệ mạng lõi được bổ xung thêm phần chuyển mạch gói với hainút chính: nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) và nút hỗ trợ cồng GPRS (GGSN) Bằngcách này, với nâng cấp không đáng kể, hệ thông có thể cung cấp dịch vụ số liệu góicho thuê bao di động rất thích hợp với các dịch vụ số liệu không đối xứng Với nhàkhai thác GSM khi họ triển khai GPRS cần thực hiện:

Triển khai Thực hiện

Mới Mạng lõi chuyển mạch gói(SGSN, GGSN)

Giao diện mới Gb giữa BSC-SGSNĐiều chỉnh Phần cứng và phần mềm BSC, tính cước…

1.1.3 EDGE

EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) là một kỹ thuật truyền dẫn3G đã và GSM EDGE tái sử dụng băng tần sóng mang và cấu trúc khe thời gian củaGSM, và được thiết kế nhằm tăng tốc độ số liệu của người sử dụng trong mạng GPRShoặc HSCSD bằng cách sử dụng các hệ thống điều chế cao cấp và các công nghệ tiêntiến khác Vì vậy, cơ sở hạ tầng và thiết bị đầu cuối phù hợp với EDGE hoàn toàntương thích với GSM và GPRS

Nhờ vào các hệ thống mã hóa và điều chế tương thích, tốc độ bit tối ưu có thểđạt được cho mọi yêu cầu chất lượng kênh Tốc độ số liệu cực đại của người sử dụng

có thể đạt được khe thời gian là 473,6kbps

Để tiếp tục tối ưu hóa hệ thông GSM của mình, nhà khai thác có thể sử dụngcông nghệ EDGE EDGE là một bước phát triển cao hơn của GPRS nhằm tiếp cận gầnhơn với yêu cầu của 3G, nó có thể triển khai trên phổ tần sẵn có của nhà khai thácTDMA và GSM So với GPRS, EDGE tập trung vào các cải thiện phần truy nhập vôtuyến bằng cách sử dụng các phương thức điều chế mức cao và một số kỹ thuật mãhóa tiên tiến khác Nhờ vậy tốc độ dữ liệu tối đa của người sử dụng trên một sóngmang 200 kHz có thể đạt được là 473,6 kbps

Việc quy hoạch mạng vô tuyến sẽ ít bị ảnh hưởng khi triển khai công nghệEDGE Cụ thể, các BTS được tiếp tục sử dụng, các nút chuyển mạch gói GPRS cũngkhông bị ảnh hưởng do chức năng độc lập với tốc độ bit của thuê bao Toàn bộ thayđổi đối với các nút chuyển mạch của mạng chỉ là việc nâng cấp phần mềm Thiết kếcũng cho phép đầu cuối EDGE nhỏ gọn và giá cạnh tranh được

Các kênh truyền dẫn trong EDGE cũng thích hợp cho các dịch vụ GSM vàkhông có sự phân biệt của dịch vụ EDGE, GPRS hay GSM Xét trên quan điểm nhàkhai thác thì các dịch vụ EDGE nên triển khai trước tiên cho các khu vục nóng sau đó

mở rộng dần theo nhu cầu cụ thể Việc nâng cấp phần cứng BSS theo công nghệEDGE có thể quan niệm nhu nâng cấp và mở rộng mạng để đáp ứng phát triển thuêbao thông thường Khả năng 3G băng rộng có thể thực hiện bằng cách triển khai dầngiao diện vô tuyến mới 3G trên mạng lõi GSM hiện tại Điều này bảo đảm an toàn đầu

tư và chính sách khách hàng cho nhà khai thác

Hình 1.4 kiến trúc 2.5G GPRS/EDGE.

Đối với các nhà khai thác có giấy phép cho băng tần mới 2 GHz thì có thể triểnkhai IMT-2000 cho các khu vực phủ sóng sớm có nhu cầu lớn nhất về các dịch vụ 3G.Đầu cuối hai chế độ EDGE/IMT-2000 sẽ cho phép thuê bao thực hiện chuyển vùng vàchuyển giao giữa các hệ thống So với phương án xây dựng mạng 3G hoàn toàn mớithì việc phát triển dần trên mạng GSM sẽ nhanh chóng và rẻ tiền hơn Các bước trunggian GPRS và EDGE cũng có thuận lơi phát triển tiếp lên 3G dễ dàng.

Thực tế, việc tăng tốc độ dữ liệu trên giao diện vô tuyến đòi hỏi thiết kế lại cácphương thức truyền dẫn vật lý, khuôn dạng khung, giao thức báo hiệu tại các giao diệnmạng khác nhau Do vậy, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể về tốc độ dữ liệu để lựa chọnphương án nâng cấp hệ thống nhằm tăng tốc độ dữ liệu trên các giao diện A-bis

Với các nhà khai thác GSM /GPRS khi triển khai EDGE thực hiện:

Triển khai Thực hiện

Mới Điều chế, mã hóa, máy thu phát vô tuyến

Điều chỉnh Phần cứng và phần mềm, nâng cấp mạng lõi gói,

Dùng lại Độ rộng bằng sóng mang, quy hoạch mạng vô tuyến

Hình 1.5 Triển khai EDGE

1.1.4 WCDMA hay UMTS/FDD

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một công nghệ truynhập vô tuyến được phát triển mạnh ở Châu Âu Hệ thống này hoạt động ở chế độFDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS-Direct Sequence SpreadSpectrum) sử dụng tốc độ chip 3,84 Mcps bên trong băng tần 5MHz Băng tần rộnghơn và tốc độ trải phổ cao làm tăng độ lơi xử lý và một giải pháp thu đa đường tốt hơn,

đó là đặc điểm quyết định để chuẩn bị băng tần cho IMT-2000

WCDMA hỗ trợ trọn vẹn cả các dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch góitốc độ cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời của các dịch vụ hỗn hợp với chế độ góihoạt động ở mức hiệu quả nhất Hơn thế, WCDMA hỗ trợ các tốc độ số liệu của người

sử dụng có tính thay đổi cao, dựa trên thủ tục điều chỉnh tốc độ, trong đó tỷ lệ dunglượng số liệu giữa những người sử dụng có thể thay đổi từ khung này qua khung khác.

Chuẩn WCDMA hiện thời sử dụng phương pháp điều chế QPSK, một phươngpháp điều chế tốt hơn 8-PSK nhiều, cung cấp tốc độ số liệu đỉnh là 2Mbps với chấtlượng truyền tốt trong vùng phủ rộng

WCDMA là công nghệ truyền dẫn vô tuyến mới với mạng truy nhập vô tuyếnmới, được gọi là UTRAN, bao gồm các phần tử mạng mới như RNC (Radio NetworkController) và NodeB ( tên gọi trạm gốc mới trong UMTS)

Nhưng cần chú ý rằng mạng lõi GPRS/EDGE có thể được sử dụng lại và cácthiết bị đầu cuối hoạt động ở nhiều chế độ có khả năng hỗ trợ GSM/GPRS/EDGE vàWCDMA đã được cụ thể hóa, và quá trình chuyển giao cũng như chọn lại cell cũng đãđược thiết lập giữa các hệ thống này

Với nhà khai thác GPRS hoặc EDGE khi triển khai WCDMA cần thực hiện ( theo R99)

Triển khai Thực hiện

Mới Giao diện vô tuyến WCDMA ( UE Node B)

Giao diện mạng truy nhập vô tuyến RAN (Iub (Node B-RNC)

và Iur(RNC-RNC))Giao diện mạng lõi: Iu (MSC-RNC và SGSN-RNC)Điều chỉnh MSC và SGSN cho giao diện Iu

Nâng cấp mạng lõiDùng lại Mạng lõi chuyển mạch kênh (HLR-AuC)

Mạng lõi chuyển mạch gói (GGSN)

Hình 1.6 Triển khai WCDMA

3GPP R3 (R99):

Phương án chuyển đổi nhằm tận dụng tối đa hạ tầng GSM và GPRS hiện có.Mạng lõi của 3G có cả phần chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Mạng truynhập vô tuyến của 3G có thể nối cả với phần chuyển mạch kênh của GSM sau khi đã

có phần bổ sung cho 3G Phần mạng lõi với 2 nút mạng SGSN và GGSN của GPRStrước đây được sử dụng lại hoàn toàn.

Như vậy phương án này phù hợp cho thị trường có cả dịch vụ yêu cầu chuyểnmạch kênh (thoại, hình) và dịch vụ gói

Hình 1.8 Kiên trúc 3G-WCDMA R4

3GPP R5 (IMS):

Hình 1.9 Kiến trúc 3G-WCDMA R5

Đây là giải pháp sử dụng mạng lõi toàn IP Có thể được truyền trên ATM Nhưvậy vai trò của mạng truy nhập vô tuyên chỉ là thành giao điện vô tuyến của 3G, Mạnglõi IP có thể tương thích với bất kỳ công nghệ truy nhập vô tuyến nào: WCDMA,cdma 2000, EDGE…

Hệ thống hoàn toàn không còn phần chuyển mạch kênh, Thoại cũng đượctruyền trên IP, Như vậy công nghệ này sẽ còn phụ thuộc rất nhiều vào sự phát triển củaVoIP

3GPP R6:

Hình 1.10 Sự phát triển của mạng 3GPP

Đang được tiếp tục nghiên cứu để khắc phục những nhược điểm của 3GPP R5 Như vậy ta đã có cái nhìn tổng quát về sự phát triển của mạng thông tin diđộng Ta có thể thấy NGN được sử dụng như thế nào trong các mạng di động:

-Theo hướng WCDMA:

Đến UMTS R4:

 NGN trong vùng CS với sự phân chia của các lớp điều khiển và lớp ứng dụng

 Trung tâm chuyển mạch tách thành 2 khối chức năng: Server và MediaGateway

 Hình thức vận chuyển ATM và IP thay vì TDM

1.2 Kết luận Chương I

Trong chương I đã trình bày tóm tắt quá trình phát triển từ GSM lên WCDMA,trình bày về sự phát triển của các phiên bản trong hệ thống thông tin di động và cáckiến trúc của các phiên bản 3GPPR99, 3GPPR4, 3GPPR5 và 3GPPR6 được trình bàychi tiết nhằm sang tỏ xu hướng hội tụ của các công nghệ 3G.Một số giải pháp của cácnhà cung cấp thiết bị di động chính trên thế giới được giới thiệu các ứng dụng thựctiễn đã và đang được triển khai trên hệ thống mạng di động toàn cầu

CHƯƠNG II MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM/GPRS

2.1 Giới thiệu

GSM ( Global System for Mobile Communication) – Hệ thống thông tin diđộng toàn cầu GSM là tiêu chuẩn điện thoại số toàn Châu Âu do ETSI (EuropeanTelecommunication Standard Institute – Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu) quyđịnh Giao tiếp vô tuyến của GMS dựa trên công nghệ TDMA (Đa truy nhập phân chiatheo thời gian) kết hợp với FDMA (Đa truy nhập phân chia theo tần số) Ở Châu Âu hệthống GSM hoạt động ở tần số 900MHz cũng như tần số 1800MHz ở Bắc Mỹ, GSM

Sử dụng tần số 1900MHz Mạng GSM hỗ trợ truyền thoại với tốc độ bit là 13 kbit/s vàtruyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s

2.2 Cấu trúc của hệ thống GSM

Hệ thốn GSM có thể chia thành nhiều hệ thống con:

Hệ thống con chuyển mạch SS (Switching Subsystem), hệ thống con trạm gốcBSS (Base Station Subsystem), hệ thống khai thác và bảo dưỡng mạng (OMC –Operations & Maintenance Center)

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống GSM.

2.2.1 Hệ thống trạm gốc BSS

Hệ thống BSS được chia thành hai khối chức năng chính: Trạm thu phát gốcBTS (Base Transceiver Station) và bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base StationController), ngoài ra còn có khối thích ứng tốc độ chuyển đổi mã TRAU (TranscoderRate Adaptor Unit)

Các BTS thực hiện chức năng thu phát vô tuyến trực tiếp đến các thuê bao di động MS thông qua giao diện vô tuyến Um BTS gồm các thiết bị thu, phát, anten, các khối xử lý tín hiệu BTS được coi là một modem vô tuyến phức tạp

BSC là đài điều khiển trạm gốc, BSC quản lý giao diện vô tuyến giữa BTS với

MS thông qua các lênh điều khiển Đó là các lênh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến

và quản lý chuyển giao Vai trò của BSC là quản lý kênh và quản ly chuyển giao BSC

ấn định kênh vô tuyến trong toàn bộ thời gian thiết lập cuộc gọi và giải phóng kênh khikết thúc cuộc gọi BSC thực hiện các quá trình chuyển giao (Handover) giữa các BTS.Một BSC có thể quản lý hàng chục BTS.

TRAU có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thoại thành luồng số tốc độ 64 kbit/s đểtruyền từ BSC đến MSC, TRAU tiếp nhận các khung số liệu 16 kbit/s từ giao diệnAbis giữa BTS và BSC, và nó định dạng lại thông tin của mỗi luồng số liệu thành dạngA-TRAU để truyền đi trên giao diện A giữa BSC và MSC TRAU thường được đặtcùng vị trí với BSC

2.2.2 Hệ thống chuyển mạch SS

Tổng đài di động MSC (Mobile Switching Center) thực hiện chức năng chuyểnmạch cho các thuê bao di động thông qua trường chuyển mạch của nó MSC quản lýviệc thiết lập cuộc gọi, điều khiển cập nhật vị trí và thủ tục chuyển giao giữa các MSC.Việc cập nhật vị trí của thuê bao cho phép tổng đài di động MSC nhận biết được vị trícủa các thuê bao di động trong qúa trình tìm gọi trạm di động MS MSC có tất cả cácchức năng của một tổng đài cố định như tìm đường, định tuyến, báo hiệu,… Điều khácbiệt giữa tổng đài của mạng cố định (PSTN, ISDN, …) và MSC là MSC thực hiện xử

lý cho các thuê bao di động, thực hiện chuyển vùng giữa các Cell

Chức năng của tổng đài MSC ngoài việc kết nối với các phần tử của mạng diđộng nó còn kết nối với các phần tử của mạng khác như mạng điện thoại cố địnhPSTN, mạng ISDN, mạng truyền số liệu PSPDN, CSPDN và mạng di động mặt đấtcông cộng PLMN khác MSC thưc hiện chức năng trên gọi là MSC cổng (GMSC).Các GMSC làm thêm nhiệm vụ chuyển đổi giao thức để phù hợp với từng loại mạng Tổng đài cổng cung cấp các dịch vụ kết nối từ mạng di động đến các mạng khác(di động hoặc cố định), GMSC phục vụ cuộc thộng tin từ mạng khác vào mạng GSM

và từ mạng GSM ra mạng khác, trước hết các cuộc gọi được định tuyến đến GMSCbất kể MS đang ở đâu, sau đó GMSC hỏi HLR thông tin về MS

HLR (Home Location Register) – Bộ đăng ký thường trú: chứa đẩy đủ cácthông tin liên quan đến việc đăng ký dịch vụ và vị trí của các thuê bao HLR có thểtích hợp ngay trong MSC hoặc đứng độc lập

VLR (Visitor Location Register) – Bộ đăng ký tạm trú Là bộ đăng ký dữ liệukhách, nó chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao di động trong vùng phục

vụ của nó Thông thường cơ sở dữ liệu của VLR được tích hợp ngay trong MSC Ngoai ra trong SS còn có khối đăng ký nhận dạng thiết bị EIR được sử dụng đểquản lý các máy di động Mục đích là ngăn không cho các máy di động lạ được sửdụng mạng, chống việc truy nhập trái phép (lấy cắp, nghe lén thông tin) của các thiết

bi khác EIR quản lý số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (Số nhận dạng trạm diđộng theo phần cứng) của từng máy di động Số nhận dạng phần cứng của mỗi thuêbao sẽ được nhận thực nhờ EIR

2.2.3 Trạm di động MS

Trạm di động MS thực hiện hai chức năng:

- Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường vô tuyến

- Đăng ký thuê bao: Mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là Simcad để truy nhập vàomạng

Về cấu trúc MS gồm hai phần chính là: Mobile Equiment (ME) và SubscriberIdentity Module (SIM) SIM là bộ phận để nhận dạng thuê bao trong quá trình MS

hoạt động trong mạng Còn ME là bộ phận để xử lý các công việc chung như thu, phát,báo hiệu….

2.2.4 Hệ thống khai thác và bảo dưỡng mạng (OMC)

Một hệ thống GSM thường bao gồm rất nhiều trung tâm chuyển mạch MSC, bộđiều khiển trạm gốc BSC và trạm thu phát gốc BTS được lắp đặt tại rất nhiều vi tríkhác nhau trên một vùng diện tích lớn OMC là hệ thống có nhiệm vụ giám sát toàn bộmạng GSM nhằm phục vụ cộng tác khai thác và bảo dưỡng mạng

2.3 Cấu trúc địa lý của mạng

Hình 2.2 Cấu trúc địa lý của mạng.

Vùng GSM gồm một hoặc nhiều các quốc gia có các mạng di động theo tiêu chuẩn GSM

Vùng GMSC: Bao gồm một quốc gia hoặc một vùng địa lý rộng Các mạngtrong vùng này có thể phủ chồng lấn lên nhau, liên kết với nhau qua các cửa cổng(GMSC) Một mạng GSM được chia ra nhiều vùng phục vụ mỗi vùng do một hoặcmột vài MSC quản lý Các thuê bao di chuyển trong vùng không cần cập nhật lại ví tríđến các HLR mà chỉ thay đổi vị trí ở VLR ( khi MS chuyển từ vùng định vị này sangvùng định vị khác trong vùng phục vụ)

Một vùng phục vụ thì được thành nhiều vùng định vị mỗi vùng định vị thườngđược quản lý bởi một BSC

Khi có tín hiệu tìm gọi một thuê bao thì nó được phát trong một vùng định vị.Khi một thuê bao dịch chuyển từ vùng định vị này sang vùng định vị khác thì phải cậpnhật lại vị trí tại VLR

Một vùng định vị thì bao gồm nhiều cell (ô) mỗi ô được phủ sóng bởi một BTS.Khi một thuê bao dịch chuyển từ một ô này sang một ô khác trong một vùng định vịthì không cần cập nhật lại vị trí trong thanh ghi VLR, nhưng phải thực hiện điều khiểnchuyển giao

Như vậy cấu trúc địa lý của hệ thông GSM là cấu trúc phân lớp nó tiện lợi choviệc quản lý, định tuyến cuộc gọi

2.4 Quá trình xử lý các tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến

Hình 2.3 Xử lý tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến ở MS.

Ở máy phát, tiếng từ micro qua bộ lọc thông dải 0,3 ÷ 3,4 kHz đưa vào bộA/D Tại A/D tiến hành lấy mẫu (8000 mẫu/s), sử dụng 13 bit để mã hóa tương ứngtốc độ 8000 × 13 = 104 kbit/s.

Tín hiệu 13 bit, 8000 mẫu/s được chia ra các khoảng 160 mẫu/20ms (chia

8000 mẫu/s thành 50 đoạn) đưa vào mã hóa tiếng

Sau mã hóa tiếng dòng số ra là 260bit/20ms (tốc độ 13kbit/s), 260 bit nàyđược phân cấp theo tầm quan trong và được mã hóa kênh, sau mã hóa kênh, tín hiệuđược ghép xen, mật mã hóa, lập khuôn cụm và sau đó tín hiệu được điều chế vàosóng mang trong dải tần GSM

Ở máy thu tiến hành giải điều chế, cân bằng Viterbi Bộ cân bằng này có khảnăng xây dựng mô hình kênh truyền sóng ở mọi thời điểm để giảm tỉ lệ lỗi bit doảnh hưởng pha đinh nhiều tia của đường truyền vô tuyến Bộ cân bằng này cũngđưa thông tin đến cho bộ giải mã kênh để hiệu chỉnh lõi Sau đó tín hiệu được giảimật mã, giải ghép xen, giải mã hóa kênh, giải mã tiếng, qua bộ D/A và tới loa

2.5 Giao diện vô tuyến (Um)

Trong hệ thống GSM giao diện vô tuyến là giao diện phức tạp và quan trọngnhất Giao điện vô tuyến GSM 900 bao gồm hai băng tần sóng công 25MHz cho cảđường lên và đường xuống (Uplink và Downlink) dải băng tần là 890-915MHz chohướng lên và 935-960MHz cho hướng xuống Trong hệ thống GSM, công nghệ đatruy nhập phân chia theo tần số FDMA được ứng dụng cho mỗi sóng mang có độrộng băng tần 200kHz Trong băng tần 25kHz chia làm 124 dải thông tần, tương ứng

124 cặp kênh Bắt đầu từ 890,2MHz với mỗi dải thông tần của kênh vật lý là200KHz (25MHz/125 kênh) dải tần bảo vệ biên là 200KHz, tách biệt sóng công 45MHz giữa tần số lên và tần số xuống Kênh số 0 trong 125 kênh được dùng làm dảiphòng vệ Khi băng 900 hết thì dùng băng 900 mở rộng: lên (882 ÷ 915)MHz, xuống(927 ÷ 960)MHz Băng 1800: lên (1710 ÷ 1785)MHz, xuống (1805 ÷ 1880)MHz Msđược chế tạo để có thẻ làm việc trong 1224 tần số và tần số mở rộng

Về mặt thời gian mỗi sóng mang được ghép vào 8 khe thời gian với thời gian577µs cho mỗi khe thời gian tuân theo công nghệ đa truy nhập phân chia theo thờigian TDMA Mỗi khe thời gian là một kênh vật lý Một chu kỳ nhắc lại của mỗi khethời gian được gọi là một khung TDMA Một khung có độ lâu là 8 × 577 =4,616ms Để thời gian thu, phát của một ms không đồng thời thì các kênh đườnglên và đường xuống đặt lệnh nhau 3 khe thơi gian Nhờ vậy giảm ảnh hưởng củamáy phát đến máy thu và việc chuyển thu, chuyển phát đơn giản hơn, có thời gian

xử lý các tin hiệu điều khiển (của MS)

Thông tin về báo hiệu và số liệu của người sử dụng được bảo vệ và chống lỗitrên giao diện vô tuyến Um thực hiện bằng cách sử dụng mã xoắn và chèn chéo Sửdụng điều chế khóa dịch pha tối thiếu Gauss (Gaussian Minmum Shift Keying) trêngiao diện vô tuyến

2.5.1 Tổ chức các kênh vô tuyến

- Kênh vật lý: Dây xoắn, cáp đồng trục, mỗi khe thời gian Đây là các kênhthực có thể đo kiểm, quản lý bằng các tham số cụ thể như là băng thông, độ suyhao

Trong GSM, mỗi khe thời gian được coi là một kênh vật lý Tổng số kênh vật

lý trong hệ thống GSM 124 kênh một kênh có 8 khe thời gian, vậy được 124 × 8 =

992 kênh vật lý

- Kênh logic: là các kênh ảo, mỗi kênh logic truyền tin tức phục vụ một chứcnăng nhất định Các kênh logic này được đạt vào các kênh vật lý để truyền đi, một

hoặc nhiều kênh logic được truyền trên một kênh vật lý Trong mạng GSM có rấtnhiều các kênh logic, kênh truyền đồng bộ, tìm gọi, báo hiệu là các kênh ảo, chỉ khitruyền thì mới sử dụng một kênh vật lý để truyền.

2.5.2 Các loại kênh logic (Dữ liệu và điều khiển)

Hình 2.4 Cấu trúc các kênh logic ở giao diện vô tuyến.

Kênh dữ liệu: TCH (Traffic Channel) toàn tốc 22,8kbit/s, TCH bán tốc11,4kbit/s, gọi là kênh lưu thông (lưu lượng)

Các kênh điều khiển: Các kênh báo hiệu và điều khiển được chia thành baloại: các kênh điều khiển quảng bá, chung và dành riêng

Kênh quảng bá BCH

- Kênh hiệu chỉnh tần số (FCCH: Frequency Correction Channel) các kênhnày mang thông tin hiệu tận số cho các trạm MS Đó là kênh đường xuống từ mộtđiểm đến đa điểm

- Kênh điều khiển đồng bộ SCH (Synchironization Channel) kênh này mangthông tin để đồng bộ bít, đồng bộ khe thời gian, khung thơi gian cho MS và giúp

MS nhận dạng ô đang quản lý mình (BTS) bằng mã nhận dạng ô Đó là kênh đườngxuống, từ một điểm đến đa điểm

- Kênh điều khiển quảng bá (BCCH: Broad Casting Control Channel) kênhnày phát quảng bá các thông tin chung về ô Đây là kênh đường xuống từ một điểmđến đa điểm Kênh điều khiển chung (CCCH: Commom Control Channel)

- Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel): Kênh này là kênh đường xuống từđiểm đến điểm, dùng để tìm gọi trạm di động Trong thời gian không có tín hiệu tìmgọi thì nó phát các cụm giả (tin hiệu giả)

- Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH: Random Access Channel) sử dụng để

MS yêu cầu được dành một kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH (StandAlone Dedicarted Control Channel) khi MS nhận được PCH đây là loại kênh đườnglên từ điểm đến điểm

- Kênh cho phép truy nhập ( AGCH: Access Grant Channel): sử dụng để BTStrả lời cho kênh RACH của MS khi nó đồng ý cho thuê ban truy nhập mạng sau đó

là chuẩn bị cấp phát một kênh điều khiển riêng (SDCCH) để làm thủ tục truy nhập

Kênh điều khiển dành riêng (DCCH: Đeicated Control Channel)

-Kênh điều khiển riêng một mình SDCCH: Dùng để MS làm các thủ tục truynhập mạng với BTS Kênh này chỉ được sử dùng dành riêng cho báo hiệu với một

MS SDCCH được sử dụng cho các thủ tục cập nhật và trong quá trình thiết lậpcuộc gọi trước khi ấn định kênh TCH SDCCH được sử dụng cho cả đường xuốnglẫn đường lên

- Kênh điều khiển liên kết chem SACCH (Slow Assoctaed ControlChannel): Sử dụng để thực hiện các quá trình điều khiển trong thời gian cuộc gọinhư điều khiển công suất, điều khiển đồng bộ… đó là các kênh đường lên, đườngxuống và từ điểm đến điểm

- Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH: Fast Assocrated ControlChannel): Trong những trường hợp đặc biệt người ta sử dụng một kênh lưu thông

để truyền tín hiệu báo hiệu điều khiển (nhận biết nhanh những cuộc gọi khẩn cấp:

115, 114….) khi đó kênh lưu thông có thêm các cờ lấy cắp (lấy khe thời gian củakênh lưu thông để truyền)

2.5.3 Mã hóa kênh và điều chế

Do nhiễu điện từ trường trong môi trường tự nhiên và do con người gây ra,việc mã hóa tiếng nói, số liệu trên giao diện vô tuyến Um cần phải được bảo vệchống lỗi Hệ thống GSM sử dụng mã hóa xoắn và chèn chéo cho mục đích bảo vệnày Thuật toán được sử dụng không giống nhau cho thoại và các tốc độ truyền sốliệu khác nhau Phương pháp sử dụng cho mã hóa khối như sau

Hệ thông GSM sử dụng mã hóa tiếng nói (Vocoder) với một khối 260bit chochu kỳ 20ms mẫu thoại Thông qua việc kiểm tra thực tế các đối tượng người ta chỉ

ra rằng trong khối 260bit đó có một số bit quan trọng hơn một số bit khác trongviệc đánh giá chất lượng tiếng nói Các bit được chia thành 3 lớp:

Lớp Ia gồm 50bit – nhạy cảm với các bit lỗi

Lớp Ib gồm 132bit – nhạy cảm ở mức độ thấp hơn đối với các bit lỗi

Lớp II gồm có 78 bit còn lại – ít nhạy cảm nhất với các bit lỗi

Ở lớp Ia có 3 bit được chèn vào theo chu kỳ để phát hiện lỗi Nếu có một lỗinào được phát hiện, khung này được coi là bị lỗi và bị bỏ qua và được thay thếbằng một phiên bản suy giảm của khung thu được chính xác trước đó 53bit của lớp

Ia này cùng với 132bit của lớp Ib và 4bit đầu tiếp theo (tổng công là 189bit) đượcđưa vào bộ mã hóa xoắn tốc độ 1/2 và độ dài bắt buộc là 4 Mỗi một bit được mãhóa thành 2bit ra dựa trên sự kết hợp của 4bit vào trước đó Bộ mã hóa xoắn có lỗi

ra là 378bit và thêm vào 78bit lớp II đã được bảo vệ Như vậy các mẫu 20ms tiếngnói được mã hóa thành 45bit có tốc độ 22,8kbit/s

Để bảo vệ chống lại nhiễu vô tuyến của các nhóm, mỗi mẫu ở trên được chènchéo Lối ra 456bit sau bộ mã hóa xoắn được chia thành 8 khe khối, mỗi khối là57bit, các khối này được truyền trên 8 nhóm khe thời gian liên tiếp Mỗi khe thờigian liên tiếp có thể truyền 2 khối 57bit (một cụm), mỗi nhóm truyền tải lưu lượng

từ 2 mẫu tiếng nói khác nhau (ghép xen) mỗi khe thời gian truyền thông tin của mộtcụm có chiều dài là 156,25bit được truyền trong 0,577ms Tín hiệu số này được

điều chế bởi tần số sóng mang tương tự sử dụng khóa điều chế GAUSS tối thiểuGMSK.

2.5.4 Tổ chức khung trong GSM

Để một MS có thể đồng bộ được khung tại các thời điểm truy nhập ngẫunhiên thi mỗi khung phải có trường chỉ số thứ tự của mình Để tiết kiệm bit củatrường chỉ số thứ tự người ta tổ chức khung thành các đa khung, các siêu khung vàsiêu siêu khung

Hình 2.5 Tổ chức khung trong GSM

Kênh TCH đa F = 26F, Kênh điều khiển đa F = 51F

2.5.5 Truyền các kênh logic trên các kênh vật lý

Ứng với một tần số sóng mang có 8 khe thời gian, người ta sử dụng 2 khethời gian đầu tiên TS0, TS1 của sóng mang để truyền các kênh logic điều khiển Cáckênh vật lý (khe thời gian) còn lại sử dụng cho các kênh lưu thông Khi số sóngmang được phân trên ô là lớn thì tùy theo sự trợ giúp của các kênh điều khiển vớicác kênh lưu thông người ta phân thêm các khe để truyền kênh logic điều khiển

2.6 Mô tả quá trình thiết lập một cuộc gọi trong mạng GSM

2.6.1 Trạm di động (MS) thực hiện cuộc gọi:

MS yêu cầu ấn định kênh:

Sau khi thực hiện việc quay số, MS yêu cầu được ấn định kênh trên kênhtruy nhập ngẫu nhiên RACH Nhận được yêu cầu này trạm thu phát gốc BTS sẽ giải

mã bản tin Phần mềm của trạm gốc BBS ấn định kênh SDCCH với bản tin ấn địnhkênh tức thời gửi trên kênh cho phép truy nhập AGCH

MS trả lời:

MS trả lời bản tin ấn định kênh tức thời và chuyển tới ấn định kênh SDCCH.Trên kênh SDCCH, MS sẽ truyền đi các bản tin SABM (Set Asynchronous BalanceMode – kiểu cân bằng không đồng bộ tổ hợp) Bên trong bản tin SABM bao gồmcác chỉ thị yêu cầu các dịch vụ khác nhau như bản tin yêu cầu thực hiện cuộc gọihay cập nhật vị trí Các bản tin này sẽ được xử lý tại trạm gốc BSS và được chuyểntới trung tâm chuyển mạch MSC thông qua giao diện A

làm nhiệm vụ truyền các yêu cầu này tới MS trên kênh điều khiển chuyên dụng độclập SDCCH.

MS trả lời nhận thực:

Trạm di động MS trả lời yêu cầu nhận thực bằng một đáp ứng nhận thực.Đáp ứng trả lời nhận thực của MS sẽ được trạm thu phát gốc BTS chuyển tới trungtâm chuyển mạch BSC trên đường báo hiệu vô tuyến

Yêu cầu mã hóa:

Sau quá trình nhận thực được hoàn thành (quá trình nhận thực được thựchiện với các thuật toán và khóa bảo mật dùng trong GSM là A3, A4, A8 và ki), MSC

sẽ gửi đến BSC một lệnh yêu cầu mã hóa quá trình trao đổi thông tin giữa MS vàMSC (Ciphering Mode: Chế độ mã hóa) Quá trình này được thiết lập hay không làphụ thuộc vào BSC và MSC thiết lập chế độ mã hóa là ON hay OFF Nếu chế độ

mã hóa là ON thì thuật toán A5.2 và ki được sử dụng

Hoàn thành quá trình mã hóa:

MS trả lời hoàn thành quá trình mã hóa bằng cách gửi bản tin thực hiện xongqua trình mã hóa (Ciphering Mode Complete)

MS thiết lập cuộc gọi:

Trạm di động MS gửi bản tin thiết lập cuộc gọi trên kênh điểu khiển chuyêndụng độc lập SDCCH, nó gửi tới tổng đài di động MSC dịch vụ yêu cầu thiết lậpcuộc gọi

Yêu cầu ấn định kênh lưu lượng:

Sau khi tổng đài MSC nhận được bản tin yêu cầu thiết lập cuộc gọi, MSC sẽgửi lại hệ thống BSS bản tin ấn định kênh lưu lượng Bản tin này chỉ thị loại kênhlưu lượng sẽ được yêu cầu là kênh bán tốc (Half Rate) hay toàn tốc (Full Rate) hoặctruyền số liệu (Data) Trạm thu phát gốc BTS sẽ chỉ định và ấn định cho MS mộtkệnh lưu lượng TCH bằng cách gửi một lệnh ấn định trên kênh SDCCH

MS hoàn thành việc ấn định kênh lưu lượng TCH:

Để đáp ứng lệnh ấn định kênh, MS chiếm lấy kênh TCH và đồng thời gửibản tin hoàn thành việc ấn định kênh trên kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH

Bản tin đổ chuông:

Tổng đài di động MSC gửi bản tin đổ chuông tới máy di động MS Bản tinnày thông báo cho MS hoàn thành việc gọi và có tín hiệu hồi âm chuông được nghethấy từ MS Bản tin này là trong suất đối với hệ thống trạm gốc BSS

Bản tin kết nối:

Khi bên bị gọi nhấc máy trả lời thì một bản tin kết nối được gửi đến trạm diđộng MS Tín hiệu này là trong suất đối với trạm gốc BSS Bản tin kết nối đượctruyền thông qua kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH Để trả lời tín hiệu kếtnối, MS mở một đường tiếng và truyên đi thông qua kênh FACCH, bản tin đã kếtnối tới tổng đài di động MSC và cuộc gọi được thực hiện

2.6.2 MS nhận cuộc gọi

Nhắn tin tìm gọi:

Khi thuê bao được tìm gọi thì tổng đài di động MSC sẽ gửi tới một bản tin

“yêu cầu nhắn tin” (Paging Request) đến hệ thống điều khiển trạm gốc BSC, BSC

sẽ xử lý bản tin này và truyền chúng trên kênh nhắn tin PCH

Thuê bao trả lời:

Sau khi thu được bản tin Paging Request, trạm di động MS trả lời bằng cáchgửi bản tin yêu cầu kênh trên kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH Ấn định kênh điềukhiển chuyên dụng độc lập SDCCH:

Nhận được bản tin ấn định kênh, BSS sẽ xử lý bản tin và ngay lập tức ấnđịnh một kênh SDCCH Việc ấn định này sẽ được mã hóa và truyền trên cho phéptruy nhập GACH Trạm di động MS được ấn định một kênh SDCCH và truyền mộtbản tin kiều cân bằng không đồng bộ tổ hợp SABM trả lời nhắn tin Sau khi được

xử lý tại phần BSS, bản tin trả lời tìm gọi được gửi tới MSC

Yêu cầu nhận thực:

Sau khi nhận được bản tin trả lời tìm gọi, tổng đài di động MSC sẽ gửi đimột yêu cầu nhận thực đối với trạm di động MS Yêu cầu nhận thực được gửi tớitrạm gốc BSS thông qua đường báo hiệu Trạm thu phát gốc BTS sẽ làm nhiệm vụtruyền các yêu cầu này tới trạm di động MS trên kênh điều khiển chuyên dụng độclập SDCCH

MS trả lời nhận thực:

MS trả lời yêu cầu nhận thực bằng một đáp ứng nhận thực Đáp ứng trả lờinhận thực của MS sẽ được BTS chuyển tới BSC trên đường báo hiệu vô tuyến

Yêu cầu mã hóa:

Quá trình nhận thực được hoàn thành (được thưc hiện với các thuật toán và

mã hóa dùng trong GSM là A3, A4, A8 và ki), MS sẽ gủi đến BSC một lệnh yêu cầu

mã hóa quá trình trao đổi thông tin giữa MS và MSC

Hoàn thành quá trình mã hóa:

MS trả lời hoàn thành quá trình mã hóa bằng cách gửi bản tin “Hoàn thànhchế độ mã hóa” (Ciphering Mode Complete)

Ấn định kênh:

Khi nhận được bản tin xác nhận, tổng đài di độn MSC gửi một bản tin ấnđịnh kênh Hệ thống trạm gốc BSS nhận được bản tin này ấn định kênh lưu lượngTCH và gửi bản tin ấn định kênh tới trạm di động MS trên kênh điều khiển chuyêndụng độc lập SDCCH

Hoàn thành ấn định kênh:

Trạm di động MS chiếm lấy kênh TCH và gửi bản tin hoàn thành việc ấnđịnh kênh trên kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (đây là một kênh logic trênTCH) hệ thống trạm gốc nhận bản tin này và gửi nó đến tổng đài di động MSC

Bản tin đổ chuông:

MS gửi bản tin đổ chuông tới tổng đài di động MSC trên kênh điều khiểnliên kết nhanh FACCH Bản tin này thông báo tổng đài di động MSC đã tìm gọiđược trạm di động MS và MS đang đổ chuông Tổng đài di động MSC gửi hồi âmchuông này cho máy chủ gọi

MS thực hiện kết nối:

Khi trạm di động MS trả lời, MS gửi bản tin kết nối trên kênh điều khiển liên kếtnhanh FACCH và thiết lập một đường thoại đến người sử dụng Bản tin kết nối đượctruyền qua BSS tơi tổng đài di động MSC trên đường báo hiệu Bản tin xác nhận kết nốiđược gửi trả lại tổng đài di động MSC để đi đến tổng đài của máy chủ gọi

Thiết lập cuộc gọi thành công:

Kết nối cuộc gọi được thiết lập và cuộc thoại được tiến hành

2.7 Dịch vụ số liệu trong GSM

Số liệu cũng như thoại trong GSM sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh.Tiêu chuẩn GSM đã định nghĩa đầy đủ các chức năng đấu nối với các mạng điệnthoại chuyển mạch công cộng PSTN, mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN, mạng sốliệu gói PSDN,… Việc đầu nối với mạng PSTN được thực hiện thông qua cácmodem đặt trong tổng đài di động MSC việc kết với mạng truyền số liệu gói X.25được thực hiện bởi các modem có bộ biến đổi không đồng bộ Một trong các thuậnlợi của cuộc gọi số liệu GSM-ISDN là cách kết nối toàn trình (end to end hay còngọi là từ đầu cuối đến đầu cuối) Trong kết nối hoàn toàn số ISDN, không có kếtnối Modem đã làm giảm đáng kể thời gian thiết lập cuộc gọi Sự phát triển thêmnhiều hơn các ứng dụng thông minh trong mạng GSM đang diễn ra trong lĩnh vựccông nghiệp phần mềm Tuy nhiên, một vài ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền số liệucao làm cho hệ thống GSM không đáp ứng được Vì vậy một dịch vụ vô tuyến góiGSM cho phép truyền số liệu tốc độ cao đang được các nhà khai thác GSM trên thếgiới hướng tới

2.8 Bảo mật trong GSM

Giống như các mạng thông tin khác, mang di động phải thực hiện chống việctruy nhập trái phép Các biện pháp chính: Đánh số nhận dạng thuê bao, các cùngphục vụ, vùng định vị Mỗi thuê bao sẽ có nhiều số nhận dạng tùy theo các địađiểm, thời điểm mà nó sử dụng mạng

- Nhận thực thuê bao bằng các chìa khóa mật mã

- Mật mã tin tức

2.8.1 Đánh số nhận thực thuê bao và các vùng mạng

- Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI = MCC (mã nước) + MNC(mã mạng) + MSIN (số nhận dạng thuê bao) Ngoài ra còn có tiền tố 00 (gọi quốctế)

- Số lưu động của trạm di động (cấp vào VLR) MSRN = MCC+NDC ( sốMSC) + SN (số thuê bao tạm thời) mỗi một vùng phục vụ khác nhau thì các thuêbao sẽ có MSRN khác nhâu (qua vùng khác thì số khác)

- Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời ở mỗi vùng đinh vị IMSI ≤ 4byte

Nó chỉ có ý nghĩa ở từng vùng định vị LA (Location Area)

- Số nhận dạng trạm di động theo phần cứng IMEI Số nhận dạng phần cứngcủa mỗi thuê bao sẽ được nhận thực nhờ EIR

- Số nhận dạng vung định vị: LAI = MCC+MNC+LAC, nó giúp cho việcđịnh tuyến các cuộc gọi đến từng BSC

- Số nhận dạng ô: CGI= LAI+CI

CI(Cell Identity): Số nhận dạng tế bào ≤ 16bit

Dùng để định tuyến cuộc gọi đến từng BTS

Mã nhận dạng vùng định vị sẽ được phát liên tục trên kênh BCCH (điềukhiển quảng bá) để các MS biết số vùng định vị của mình

- Mã nhận dạng trạm gốc: BSIC dùng để MS biết được BTS của mình và cácBTS lân cận Trạm BTS phát BSIC trên kênh đồng bộ SCH Khi MS muốn truynhập thì nó sẽ phát BSIC của mình trên kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH

- Việc nhận dạng một thuê bao bằng nhiều số nhận dạng để làm việc theodõi, lấy tin tức của người sử dụng trái phép sẽ khó khăn hơn

2.8.2 Nhận thưc thuê bao

- Các trường hợp nhận thực: Khi MS mới truy nhập vào mạng (bật nguồn),khi MS bắt đầu một cuộc gọi, hoặc trả lơi cuộc gọi, khi MS chuyển vùng định vị.Mục đích để mạng xác định xem MS có phải là thuê bao của mình hay không, nhậnthực là cách kiểm tra quyền truy nhập của các thuê bao.

- Bộ ba chìa khóa mật mã: Số ngẫu nhiên R (cấp ngẫu nhiên) Mật khẩu S,khóa mật mã kc (mã khóa mật mã), R lấy ngẫu nhiên mỗi khi ta cần nhận thưc, Sdùng để hỏi đáp, kc khóa để mật mã tin tức

AUC tạo ra các bộ ba chìa khóa và được lưu giữ trong MSC dự trữ cho cácthuê bao đang nằm trong vùng đó

- Trình tự nhận thực:

S = ki (A3) R, kc = ki (A8) R

A3, A8: Các thuật toán công khai, ki chứa trong SIM của MSi, AUS

BTS phát số ngẫu nhiên R cho MS Cả MS và mạng đều tính S và kc MSphát mật khẩu S vào mạng, mạng sẽ kiểm tra xem gia trị S có đúng hay không

Kc được dùng cho mã hóa tin tức nếu cần

2.9 Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS)

Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS = General Packet Radio Service) là sự lựachọn của các nhà khai thác GSM như một bước chuẩn bị về cơ sở hạ tầng kỹ thuật đểtiến lên W-CDMA với việc đưa chuyển mạch gói vào mạng Mạng W-CDMA sử dụnglại rất nhiều phần tử của GPRS

GPRS hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao cho GSM, Một MS trong mạng GPRS

có thể truy nhập đến nhiều khe thời gian GPRS khác với HSCSD ở chỗ nhiều người

sử dụng có thể sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến, vì thế hiệu suất sử dụng tàinguyên vô tuyên rất cao Một MS ở chế độ GPRS chỉ giành được tài nguyên vô tuyếnkhi nó có số liệu cần phát Một người sử dụng GPRS có thể dụng đến 8 khe thời gian

để đạt được tốc độ đến hơn 100kbit/s Về mặt lý thuyết, GPRS có thể cung cấp tốc độtối đa là 171,2kbit/s ở giao vô tuyến qua 8 kênh 21,4kbit/s (Sử dụng mã hóa CS-4) Ởtrong các mạng thực tế do cần phải dành một phần dung lượng cho việc hiệu chỉnh lỗitrên đường truyền vô tuyến nên tốc độ cực đại chỉ cao hơn 100kbit/s với tốc độ khả thivào khoảng 40kbit/s đến 50kbit/s

Giao diện vô tuyến của GPRS được xây dựng trên cùng nền tảng như giao diện

vô tuyến của GSM cùng sóng mang vô tuyến độ rộng bằng 200KHz và 8 khe thờigian, Như vậy cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đều có thể sử dụngcùng sóng mang Tuy nhiên mạng đường trục của GPRS được thiết kế sao cho nókhông phụ thuộc vào giao diện vô tuyến Ngoài ra mã hóa kênh trong GPRS cũng hơikhác với mã hóa kênh của GSM, GPRS định nghĩa một số sơ đồ mã hóa kênh khácnhau Sơ đồ mã hóa kênh thường được sử dụng nhất cho tuyền số liệu là sơ đồ mã hóa

2 (CS: Code Schema 2) Mã hóa CS-2 cho phép một khe thời gian có thể mang số liệu

ở tốc độ 13,4kbit/s

Mạng GPRS là một mạng số liệu gói được xây dựng trên cơ sở cầu trúc mạngGSM hiện tại, cộng thêm một số phần tử mới Vì lúc đầu GSM được thiết kế cho

chuyển mạch kênh nên việc đưa chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết

bị cho mạng GPRS là một bước phát triển kịp thời đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệungày càng cao và là sự chuyển tiếp hợp lý giữa thông tin di động thế hệ 2 và thông tin

Hình 2.6 Cấu trúc mạng GPRS

Vùng phục vụ của SGSN được chia thành các vùng định tuyến (RA: RoutingArea) các vùng này tương tự như vùng định vị(LA) ở vùng chuyển mạch kênh, khimáy di động GPRS MS chuyển động từ một RA này đến một RA khác, nó thực hiệncập nhật vùng định tuyến cũng giống như cập nhật vùng định vị ở vùng chuyểnmạch kênh Chỉ có một sự khác nhau duy nhất là MS có thể cập nhật RA ngay cảkhi đang xảy ra phiên số liệu Theo thuật ngữ của GPRS thì phiên số liệu đang xảy

ra này được gọi là ngữ cảnh giao thức số liệu gói (PDP Context: Packet DataProtocol Context) Trái lại, khi một MS đang thực hiện một cuộc gọi chuyển mạchkênh, sự thay đổi vùng định vị không dẫn đến cập nhật vùng định vị

Một SGSN có thể phục vụ nhiều BSC, còn một BSC chỉ giao diện với mộtSGSN Giao diện Gb giữa SGSN với BSC (thực chất là với PCU ở BSC) được sửdụng để chuyển giao báo hiệu và các thông tin điều khiển cũng như lưu lượng củangười sử dụng đến và từ SGSN

SGSN có các chức năng chính sau: - Quản trị di động: bao gồm quản lý

việc nhập mạng, rời mạng của thuê bao GPRS, quản lý vị trí hiện diện của thuê baotrong vùng phục vụ, thưc hiện các chức năng bảo mật, an ninh cho mạng

- Định tuyến và truyền tải các gói dữ liệu đi, đến hay được xuất phát từ vùngphục vụ của SGSN đó

SGSN cũng giao diện với bộ ghi định vị thường trú (HLR) thông qua giaođiện Gr Đây là giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7 SGSN sử dụng giao diện Gr đểcập nhật vị trí các thuê bao GPRS ở HLR và để nhận được thông tin đăng ký củathuê bao liên quan đến GPRS đối với mọi thuê bao nằm trong vùng phục vụ củaSGSN Tùy chọn, một SGSN có thể giao diện với MSC thông qua giao diện Gs.Đây cũng là giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7 Mục đích của Gs là đảm bảo sự kếthợp giữa MSC/VLR và GPRS cho các thuê bao sử dụng cả hai dịch vụ Nếu mộtthuê bao hỗ trợ cả dịch vụ thoại là dịch vụ số liệu gói và nó đã nhập mạng GPRS,thì MSC có thể tìm gọi thuê bao này cho cuộc gọi thoại thông qua SGSN bằng cách

sử dụng Gs

- Nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN)

GGSN (Gateway GPRS Support Node) là điểm giao diện với các mạng sốliệu gói bên ngoài Một SGSN có thể giao diện với một hay nhiều GGSN và giaodiện này gọi là Gn Đây là giao diện trên cơ sở IP được sử dụng để mang báo hiệu

và số liệu người sử dụng Giao diện Gn sử dụng giao thức xuyên đường hầm GPRS(GTP: GPRS Tunneling Protocol) Giao diện này truyền xuyên số liệu giữa SGSN

và GGSN qua mạng đường trục IP SGSN có thể giao diện với các SGSN kháctrong mạng Giao diện này cũng là Gn và cũng sử dụng GTP Chức năng của giaodiện này là đảm bảo truyền xuyên các gói từ một SGSN cũ đến một SGSN mới khixảy ra cập nhật định tuyến trong thời gian một phiên số liệu gói Quá trình chuyểnhướng các gói từ một SGSN này đến một SGSN khác rất ngắn đúng bằng thời gian

mà SGSN mới và SGSN thiết lập PDP context giữa chúng Quá trình này khác vớichuyển giao giữa các MSC ở GSM Ở trường hợp GSM, MSC đầu tiên vẫn duy trìvai trò MSC neo của nó cho đến khi cuộc gọi kết thúc

Khi SGSN và GGSN thuộc về hai mạng di động mặt đất công cộng PLMN(Public Land Mobile Network) khác nhau, chúng được kết nối thông qua giao diện

Gp Trong đó giao điện Gp bao gồm chức năng của Gn cộng thêm chức năng về anninh được yêu cầu khi trao đổi thông tin giữa các PLMN khác nhau

- Hệ thống trạm gốc BSS

Phần BBS cung cấp tất cả các chức năng điều khiển và truyền dẫn thông tinphần vô tuyến của mạng, bao gồm:

+ Khối điều khiển dữ liệu gói PCU (Pacjket Control Unit)

Khối điều khiển dữ liệu gói PCU có nhiệm vụ kết hợp các chức năng điềukhiển kênh vô tuyến GPRS (Điều khiển truy nhập giao diện vô tuyến) với phần hệthống trạm gốc BSS của mạng GSM hiện tại, PCU định tuyến các bản tin báo hiệu,

và truyền tải dữ liệu của người sử dụng, PCU sẽ lắp ráp sắp xếp lại dữ liệu đểchuyển tới SGSN Tại PCU các khối dữ liệu RLC sẽ được sắp xếp trong khungLLC (điều khiển liên kết logic), sau đó được chuyển tới SGSN PCU đặt tại BSC vàphục vụ BSC đó

+ Bộ điều khiển trạm gốc BSC

Trong mang GPRS, BSC (Base station Controller) đóng vai trò trung tâmphân phối, định tuyến dữ liệu và thông tin báo hiệu GPRS BSC có thể thiết lập,

giám sát và hủy bỏ kết nối của các cuộc gọi chuyển mạch kênh cũng như chuyểnmạch gói.

+ Trạm gốc BTS (Base Transceiver Station) cung cấp khả năng ấn định kênhvật lý tại các khe thời gian cho cuộc gọi chuyển mạch kênh trong mạng GSM và dữliệu chuyển mạch gói GPRS BTS kết hợp với BSC để thực hiện các chức năng về

vô tuyến

- Phần chuyển mạch:

+ Trung tâm chuyển mạch di động/ Bộ đăng ký tạm trú MSC/VLRMSC/VLR (Mobile Switching Center/Visitor Location Register) được sử dụng choviệc đăng ký và liên lạc với thuê bao nhưng không đóng vai trò gì trong việc địnhtuyến dữ liệu GPRS Trong hệ thống GPRS, MSC/VLR không được dùng cho thủtục nhận thực thuê bao như trong hệ thống GSM mà thay vào đó là HLR, do đóSGSN sẽ nhận bộ ba thông số dành cho việc nhận thực từ bộ đăng ký thườngtrú/trung tâm nhận thực – HLR/AUC

+ Bộ đăng ký thường trú/ trung tâm nhận thực – HLR/AUC

Bộ đăng ký thường trú HLR (Home Location Register) lưu giữ tất cả cácthông tin về thuê bao GSM cũng như GPRS Thông tin về thuê bao GPRS được traođổi giữa HLR với SGSN Thêm vào đó, như đã trình bày, HLR được sử dụng trựctiếp cho việc nhận thực thuê bao thay cho MSC/VLR trong hệ thống GSM SGSN

sẽ nhận bộ ba thông số nhận thực từ HLR/AUC

- Trung tâm nhận thực AUC (Authentication User Center) cung cấp bộ bathông số nhận thực dành cho việc nhận thực và thực hiện mã hóa đường truyền.Thủ tục nhận thực trong GPRS và GSM là như nhau, chỉ có quá trình mã hóa đườngtruyền là thay đổi so với hệ thống GSM, sự thay đổi này không tác động gì đếnAUC, do đó không cần cập nhật AUC

+ Bộ đăng ký nhận dạng thiết bi EIR (Equipment Identity Register) EIR vẫnthực hiện chức năng như trong hệ thống GSM EIR lưu giữa tất cả các dữ liệu liênquan đến thiết bị đầu cuối MS EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểmtra sự được phép của thiết bị, một thiết bi không được phép sẽ bị cấm

- Thiết bị cung cấp dịch vụ nhắn tin ngắn (SMS-GMSC và SMS-IWMSC)SMS-GMSC (Tổng đài di động có cổng cho dịch vụ SMS) và SMS-IWMSC(Tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ SMS) được kết nối với SGSN qua giaodiện Gd nhằm cung cấp khả năng truyền tải các bản tin ngắn

- Thiết bị đầu cuối GPRS (MS)

Thiết bị đầu cuối GPRS có thể chia làm ba loại:

+ Loại 1: Hỗ trợ sử dụng đồng thời các dịch vụ thoại và số liệu

Như vậy người sử dụng loại 1 có thể vừa nói chuyên vừa truyền số liệuGPRS cùng một lúc (sử dụng cả hai dịch vụ chuyển mạch kênh và gói đồng thời)

+ Loại 2: Hỗ trợ đồng thời việc nhập mạng GPRS và nhập mạng GSM,nhưng không cho phép sử dụng động thời cả hai dịch vụ Người sử dụng loại 2 cóthể được đăng ký ở mạng GSM và GPRS đồng thời, nhưng không thể vừa nóichuyên vừa truyền số liệu Nếu người sử dụng đã có một phiên số liệu GPRS vàmuốn thiết lập cuộc thoại, thì phiên này không bị xóa Đúng hơn là phiên bị treo vàchờ cho đến khi cuộc thoại, thì phiên này không bị xóa Đúng hơn là phiên bị treo

và chờ cho đến khi cuộc thoại này kết thúc

+ Loại 3: Có thể nhập mạng GPRS hoặc GSM nhưng không thể nhập độngthời cả 2 mạng, Như vậy tại một thời điểm nhất định thiết bị loại 3 hoặc là thiết bị

GSM hoặc là thiết bị GPRS Nếu đã nhập một loại dịch vụ, thì có thể coi rằng thiết

bi đã rời bỏ dịch vụ kia

2.9.2 Giao diện và giao thức trong mạng GPRS

SGSN không chỉ giao diện với BSC để truyền gói tới và nhận gói về từ MS,

mà còn có giao diên logic trực tiếp giữa MS và SGSN: cho báo hiệu (mặt phẳngbáo hiệu) và cho truyền số liệu gói( mặt phẳng truyền dẫn), mặc dù về mặt phẳngvật lý các giao diện này đều đi qua BSS

Các giao thức của GPRS cung cấp các chức năng điều khiển và truyên tải dữliệu trên mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng truyền dẫn

Mặt phẳng truyền dẫn:

Gồm các cấu trúc giao thức phân lớp phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu củangười sử dụng

Một số giao thức trong mặt phẳng truyền dẫn:

- Giao thức GTP (GPRS Tunnelling Protocol – giao thức tạo đường hầmGPRS) Giao thức này phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu giữa các GSN trongmạng đường trục GPRS

- Giao thức TCP (Transmission Control Protocol/User Datagram Protocol –giao thức điều khiển truyền dẫn/ giao thức dữ liệu gói người sử dụng) TCP chuyểncác khôi dữ liệu gói (PDU) của GTP trong mạng đường trục GPRS cho các giaothức cần thiết để liên kết dữ liệu tin cậy (như X.25) TCP cung cấp khả năng điềukhiển luồng và bảo vệ chống lại sử thất thoát hay ngắt quãng các PDU của GTP

- Giao thức IP (Internet Protocol): Là giao thức được sử dụng trong mạngđường trục GPRS, phục vụ cho việc báo hiệu và định tuyến dữ liệu

- Điều khiển kết nối logic (LLC – Logic Link Control): Cung cấp liên kết dữliệu tin cậy giữa máy đầu cuối và SGSN đang phục vụ máy đầu cuối đó Phục vụtruyền tải các PDU của UC giữa máy đầu cuối và SGSN, phát hiện và khôi phụccác PDU của LLC bị thất lạc hoặc ngắt quãng

- Chuyển tiếp (Relay): Trong BSC chức năng này sẽ chuyển tiếp các PDUcủa LLC giữa giao diện Um và Gb Tại SGSN nó sẽ chuyển tiếp các PDU của PDPgiữa các giao diện Gb và Gn

- Điều khiển kết nối vô tuyến/điều khiển truy nhập trung gian (RLC/MAC –Radio Link Control/Medium Access Control) chức năng RLC cung cấp một liên kếttin cậy trên giao diện vô tuyến Còn MAC điều khiển các thủ tục báo hiệu truy nhậptrên kênh vô tuyến và sắp xếp các khung LLC vào các kênh vật lý

Mặt phẳng báo hiệu:

Mặt phẳng báo hiệu bao gồm các giao thức điều khiển và hỗ trợ cho các chứcnăng được thực hiện ở mặt phẳng truyền dẫn, nó bao gồm:

- Điều khiển việc truy nhập mạng GPRS như nhập mạng và rời mạng

- Điều khiển thiết lập các kết nối trong mạng như quá trình khởi hoạt mộtmột địa chỉ PDP

- Điều khiển việc định tuyến trong mạng

- Điều khiển việc ấn định, cấp phát tài nguyên

Một số giao diện trong GPRS

Giao diện Gb: SGSN với một hay nhiều khối điều khiển gốc PCU (PacketControl Unit) được kết nối với nhau qua giao diện Gb

Giao diện Gr: Giao diện này kết nối SGSN với HLR bởi báo hiệu số 7, nócung cấp khả năng truy nhập tới tất cả các nút trong mạng báo hiệu số 7, bao gồm

HLR của nội mạng PLMN và HLR của mạng PLMN khác Tại giao diện này, giaothức MAP hỗ trợ cho khả năng trao đổi tin hiệu giữa SGSN và HLR.

2.9.3 Cấu trúc đa khung của giao diện vô tuyến GPRS

Mặc dù GPRS cũng sử dụng cùng cơ sỏ hạ tầng như GSM, việc đưa vàoGPRS cũng có nghĩa rằng phải đưa thêm một số kiểu kênh logic mới và các sơ đồ

mã hóa kênh mới áp dụng cho các kênh logic này

Khe thời gian dùng để mang lưu luongj số liệu hay báo hiệu liên quan đếnGPRS được gọi là kênh số liệu gói (PDCH: Packet Data Channel) GPRS sử dùngcấu trúc đa khung 52 khung đối lập với cấu trúc đa khung 26 khung của GSM.Trong số 52 khung ở cấu trúc đa khung, có 12 khối vô tuyến mang số liệu củangười sử dụng, hai khe để trống và hai khe dành cho hai kênh điều khiển định thờigói (PTCCH: Packet Timing Control Channel) Mỗi khối vô tuyến chiếm bốnkhung TDMA, như vậy mỗi khối vô tuyến tương ứng với bốn trường hợp liên tiếpcủa một khe thời gian

2.9.4 Các kênh logic trong GPRS

Kênh điều khiển quảng bá kiểu gói (PBCCH):

PBCCH ( Packet Broadcast Control Channel) có nhiệm vụ phát quảng bá cácthông tin về hệ thống dữ liệu gói PBCCH được sắp xếp lên kênh vật lý tương tựnhư kênh điều khiển quảng bá BCCH trong mạng GSM Phát quảng bá ở đườngxuống để thông báo cho các MS về thông tin đặc thù của số liệu gói

Kênh điều khiển chung gói (PCCCH: Packet Common Control Channel).

- Kênh tìm gọi gói (PPCH: Packet Paging Channel): Chỉ sử dụng ở đườngxuống, mạng sử dụng kênh này để tìm gọi MS trước khi tải gói xuống

- Kênh cho phép truy nhập gói (PAGCH: Packet Access Grant Channel):Kênh đường xuống, được sử dụng để gửi bản tin ấn định các tài nguyên cho MStrước khi truyên gói

- Kênh điều khiển truy nhập gói ngẫu nhiên PRACH (Packet Random AccessControl Channel) Kênh này được sử dụng khi máy di động muốn truy nhập mạng

để truyền số liệu hoặc báo hiệu (Ví dụ như trả lời bản tin tìm gọi)

- Kênh này báo gói (PNCH: Packet Notification Channel) Kênh này đượcdùng để gửi bản mẫu định tài nguyên tới nhiều máy di động cùng lúc trong chế độtruyên tải dữ liệu điểm đến đa điểm

Các kênh lưu lượng số liệu gói (PDTCH: Packet Data Traffic Channel)

Được sử dụng để truyền tải dữ liệu trên giao diện vô tuyến Nó được ấn địnhtạm thời cho một MS (hay một nhóm MS trong trường hợp PTM điểm đến đađiểm) Tất cả các kênh PDTCH là kênh đơn hướng (hoặc đường lên hoặc đườngxuống) Điều này đảm bảo khả năng không đối xứng của GPRS Một PDTCHchiếm một khe thời gian và một MS với khả năng sử dụng đa khe có thể sử dụng sốlượng các kênh PDTCH khác nhau ở đường lên và đường xuống

Các kênh điều khiển dành riêng gói (PDCCH: Packet Dedicated Control Cheannel)

- Kênh điều khiển liên kết gói (PACCH: Packet Associated ControlChannel) PACCH là một kênh hai chiều dùng để chuyển báo hiệu và các thông tinkhác giữa MS và mạng trong khi truyền gói Kiểu thông tin được truyên bởi kênhnày là: Các công nhận, điều khiển công suất, ấn định và ấn định lại tài nguyên

Kênh này được liên kết với một kênh lưu lượng số liệu gói (PDTCH PacketData Traffic Channel) PACCH không được ấn định cố định một tài nguyên Khicần gửi thông tin ở kênh PACCH, Một phần số liệu gói của người sử dụng sẽ bi

ngừng truyền, giống như trường hợp xảy ra ở kênh FACCH của GSM nếu một MSđược ấn định một PDTCH ở đường lên, nó vẫn phải nghe ở khe thời gian tương ứngtrên đường xuống (Kênh PDTCH dường xuống), thậm chí cả khi khe này khôngđược ấn đinh cho MS Mục đích là để nhận báo hiệu cũng như các công nhận từmạng được mang trên PACCH.

- Kênh điều khiển định thời gói (PTCCH: Packet Timing Control Channel).Kênh PTCCH mang thông tin để định thời trước cho các MS Kênh PTCCH đườnglên mang thông tin trong các cụm truy nhập ngẫu nhiên để cho phép mạng rút rađịnh thời trước cho việc truyền dẫn gói từ MS Kênh PTCCH đường xuống để cậpnhật thông tin định thời trước cho MS

2.9.5 Các kịch bản lưu lượng GPRS

Các phần dưới đây sẽ xét một số thí dụ liên quan trực tiếp đến lưu lượngGPRS

Dòng khối tam thời (TBF: Temporary Block Flow) là kết nối vật lý giữa MS

và mạng trong thời gian truyền dẫn số liệu Có thể coi TBF là việc sử dụng một sốkhối vô tuyến ở giao diện vô tuyến Nhận dạng dòng tạm thời (TFI: TemporaryFlow Identity) là một số nhận dạng được gán cho một TBF và được sử dụng đểphân biệt các TBF với nhau Một số TFI được sử dụng trong các bản tin điều khiển(chẳng hạn các công nhận) liên quan đến một TBF để thực thể nhận bản tin điềukhiển này có thể xác định tương quan bản tin này với TBF thích hợp

Cờ trạng thái đường lên (USF: Uplink State Flag) là một chỉ thị được mạng

sử dụng để xác định khi nào một MS được sử dụng một tài nguyên đường lên quyđịnh Ở GPRS các tài nguyên này được chia sẽ ở đường lên cũng như đường xuống.Đường xuống nhằm trong sự kiểm soát của mạng, mạng có thể lập biểu cho cáccuộc gọi đối với một người sử dụng ở một kênh PDTCH Tuy nhiên ở đường lêncần có một cơ chế để đảm bảo rằng chỉ một MS cho trước được sử dụng một tàinguyên cho trước tại một thời điểm cho trước Có thể thực hiện cơ chế này theo haicách cấp phát tài nguyên cố định và cấp phát động

Ở cấp phát cố định, mạng cấp phát một số khe thời gian đường lên cho mộtngười sử dụng (một số khối vô tuyến) MS có thể sử dụng các khối vô tuyến này vàxác định khung TDMA mà ở đó người sử dụng bắt đầu truyền dẫn Như vậy ởkhoảng thời gian quy định, MS được đảm bảo toàn quyền nhập đến các khe thờigian được quy định Ở cách cấp phát động, mạng không cấp phát trước một khethời gian cho người sử dụng Mạng chỉ cấp phát cho người sử dụng giá trị USF chotừng khe thời gian mà người sử dụng có thể truy nhập Ở đường xuống mạng phátgiá tri USF trên từng khối vô tuyến Giá tri này chỉ ra MS nào được truy nhập đếnkhối vô tuyến tiếp theo ở khe thời gian tương ứng đường lên Như vậy bằng cáchkiểm tra giá trị USF nhận được MS có thể lập biểu truyền dẫn đường lên USF làmột truongf 3 bit và vì thế 8MS có thể chia sẻ cùng một khe thời gian đường lên

Nhập mạng GPRS

Khi bật nguồn MS hoặc khi tích cực trình duyệt, có thể tích cực chức năng GPRS trong MS Mỗi khi khởi đầu chức năng GPRS trong MS, MS phải nhập mạngGPRS để mạng này (và đặc biệt là SGSN) biết rằng MS đã khả dụng đối với lưu lượng gói Theo thuật ngữ được sử dụng ở GPRS thì MS chuyển từ trạng thái rỗi Idle (không nhập mạng GPRS) vào trạng thái sẵn sàng: Ready (đã nhập mạng GPRS và ở vị trí khởi đầu của PDP context) Khi ở trạng thái sẵn sàng, MS có thể gửi hoặc nhận gói Ngoại ra MS cũng thể vào trạng thái chờ sau khi trạng thái sẵn

sàng tạm ngừng Chẳng hạn, nếu MS nhập mạng GPRS nhưng không khởi đầu thì

nó vẫn duy trì nhập mạng, nhưng chuyển vào trạng thái chờ sau tạm ngừng

Hình 2.10 mô tả trường hợp đơn giản, trong đó MS loại 3 thực hiện nhậpmạng GPRS

Trước hết MS Yêu cầu kênh gói (Packet Channel Request)

Trong yêu cầu này MS đưa ra mục đích của yêu cầu: trả lời tìm gọi, thủ tụcquản lý di động (MM) Sơ đồ sau cho thấy thủ tục MM Mạng trả lời bằng Ấn địnhđường lên gói (cấp phát một khe thời gian hoặc các khe thời gian) Cho MS đểtruyền bản tin mà MS địnhgửi Mạng đặt vào bản tin này một TFI mà MS sẽ sửdụng Trong bản tin này cũng có giá trị USF về khe hoặc các khe ấn định cho MS( khi cấp phát động) và chỉ thị về số khối RLC dành cho MS đối với TBF được quyđịnh

MS tiếp tục gửi yêu cầu nhập mạng ở một hay nhiều khối vô tuyến đến mạngtrên các tài nguyên được cấp phát MS có thể gửi số khối vô tuyến bằng số khối màmạng cấp phát cho nó