Nghiên cứu tiến trình nâng cấp mạng thông tin di động GSM và giao thức

Nghiên cứu tiến trình nâng cấp mạng thông tin di động GSM và giao thức

Để hoàn thành đề tài đúng thời hạn, người đầu tiên em xin chân thành cám

ơn là Thầy – Nguyên Ngọc Văn đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn Người

tiếp là, Thầy Quế - Học viện bưu chính viễn thông; Bác Giao, anh Phương, anh Thắng ở phòng NGN -Viện kỹ thuật bưu điện; anh Hồng Anh – ở đài chuyển mạch của Mobifone đã giúp em tài liệu và hướng dẫn chọn đề tài và anh trai thì luôn động viên để hoàn thiện đồ án sớm nhất có thể

Hà Nội, ngày 15 tháng 5 nămg 2008

Lê Thị Thu Trang

Tóm tắt đồ án

Nội dung đồ án chia làm 2 phần

- Phần một: Trình bày theo tiến trình nâng cấp, phát triển của mạng thông tin di động GSM Nội dung của mỗi Chương tập trung chủ yếu vào core network đó là; sơ đồ cấu trúc mạng (tương ứng với mỗi công nghệ), chức năng của phần tử trong mạng, giao diện và các kỹ thuật được sử dụng

- Phần hai: Khái quát chung một số giao thức sử dụng trong miền gói dữ liệu (từ GPRS đến 4G) như RTP, BICC, H.248/MEGACO, SIP… Giao thức giống như một quy tắc giao thông giúp cho việc lưu thông được thông suốt hơn

Vì số lượng trang trong đồ án không cho phép nên em vẫn còn thiếu nhiều mảng vô tuyến trong thông tin di động, và phần giao thức vẫn chưa kỹ Em sẽ tìm hiểu sau

Thesis Summary

The thesis content is devided two parts:

- Part one: present the upgrade of GSM mobile communication from 2G(GSM) to 4G The content of each chapter concentrate on the core network, as the network structure, the function of the elements in network, the interface and few used technologies

- Part two: Introduce generally some protocols used in data package domain (from GPRS to 4G) such as RTP, BICC, H.248/MEGACO, SIP… The protocol is similar to the traffic rule that help traffic thông suốt hơn

Beacause of the page limitation in the thesis Therefore, I am short of the fields of the radio in the mobile communication, and lack the details of a protocol I will study later

Phần I Các công nghệ mạng thông tin di động GSM 9

Chương 1 Mạng thông tin di động GSM 9

1.2.2 Các giao diện trong mạng GSM 16

1.2.2.1 Giao diện A giữa BSS – MSC 16

1.2.2.2 Giao diện Abis giữa BSC – BTS 17

1.2.2.3 Giao diện B giữa MSC server – VLR 18

1.2.2.4 Giao diện C giữa HLR và MSC server 18

1.2.2.5 Giao diện D giữa HLR và VLR 18

1.2.2.6 Giao diện E giữa những MSC server 18

1.2.2.7 Giao diện F giữa MSC server và EIR 19

1.2.2.8 Giao diện G giữa những VLR 19

1.2.2.9 Điểm giao diện Nc giữa MSC server và GMSC server 19

1.2.2.10 Giao diện H giữa HLR và AuC 19

1.3 Sự phát triển hệ thống không dây 19

Chương 2 Công nghệ GPRS 21

2.1 giới thiệu chung về GPRS 21

2.2 Phần tử mới trong GPRS 22

2.2.1 Những Node hỗ trợ của GPRS 22

2.2.2 Sự phân biệt Data/Voice trong BSS 23

2.2.3 Đơn vị điều khiển kênh (Channel Control Unit) 23

2.2.4 Mạng tổng đài roaming GPRS 24

2.3 Giao diện trong mạng GPRS 25

2.3.1 Giao diện Gb giữa BSS và SGSN 25

2.3.2 Giao diện Gr giữa SGSN và HLR 25

2.3.3 Giao diện Gn và Gp giữa SGSN và GGSN 26

2.3.4 Giao diện Gc là đường báo hiệu giữa GGSN và HLR 26

2.3.5 Giao diện Gf giữa SGSN và EIR 26

2.3.6 Giao diện Gs giữa MSC/VLR và SGSN 26

2.4 Giao thức GPRS 27

Chương 3 Công nghệ GSM/EDGE 27

3.1 Sự khác nhau về kỹ thuật giữa GPRS và EDGE 27

3.2 Chuẩn hoá 30

3.3 Tương lai của GSM/EDGE là hướng tới WCDMA 31

3.4 Lợi ích của EGPRS 31

Chương 4 Công nghệ UMTS Release ‘99 32

4.1 Tổng quan về UMTS (là 3G) 32

4.2 Những phần tử mới trong R99 35

4.3 Giao diện mới trong R99 38

4.3.1 Giao diện Iu giữa UTRAN – CN 38

4.3.2 Giao diện Iu CS 38

4.3.3 Giao diện Iu PS 40

4.3.4 Giao diện Iu BC 40

4.3.5 Giao diện Iur giữa RNC – RNC 41

4.3.6 Giao diện Iub giữa RNC – Node B 43

Chương 5 Công nghệ UMTS Release 4 45

5.1 Giới thiệu 45

5.2 Kiến trúc chuyển mạch mềm R4 46

5.2.1 MSC server 47

5.2.2 Media gateway (MGW) 47

5.2.3 Gateway MSC server (GMSC server) 47

5.3 Những giao diện mới trong R4 48

5.3.1 Giao diện Mc: (G)MSC server tới CS-MGW 48

5.3.2 Giao diện Nc giữa MSC server và MSC server 49

5.3.3 Giao diện Nb giữa 2 MGW 49

Chương 6 Công nghệ UMTS Release 5 50

6.1 UMTS Realease 5: Giới thiệu IMS 50

6.1.1.5 BGCF (Breakout Gateway Control Function) 52

6.1.1.6 MRF (Multimedia Resource Function) 53

6.1.1.7 SLF (Subscription Location Function) 53

6.1.1.8 Cổng báo hiệu (SGW) 53

6.1.1.9 Cổng bảo mật 54

6.1.1.10 PDF (Policy Decision Function) 54

6.1.2 Những giao diện trong kiến trúc IMS 55

6.2 UMTS Realease 5: Truy cập gói downlink tốc độ cao (HSDPA) 57

6.3 UMTS Release 6 và Release 7 58

6.3.1 UMTS Release 6 58

6.3.2 UMTS Release 7 và xa hơn 58

Chương 7 Các công nghệ không dây khác 59

7.2.2 So sánh 802.16 (WiMax) với UMTS, HSDPA, và WLAN 68

7.3 UMTS vệ tinh (satellite UMTS) 69

Chương 8 Tổng quan về 4G 73

8.1 Yêu cầu xây dựng mạng di động không dây thế hệ mới 4G 73

8.2 Các quan điểm tiếp cận mạng thế hệ mới 4G 73

8.2.1 Cách tiếp cận theo quan điểm hệ thống 73

8.2.2 Cách tiếp cận theo quan điểm tích hợp mạng 74

8.5.3 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau 79

8.5.4 Không cần liên kết điều khiển 80

8.5.5 Hỗ trợ bảo mật đầu cuối-đầu cuối 80

8.6 Các mô hình khuyến nghị cho 4G 81

8.6.1 Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4G của mobile it forum 81

8.6.2 Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của mobi dick 82

8.6.3 Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của cisco 82

8.7 Mạng 4G tổng quát 83

8.8 KẾT LUẬN 84

Phần 2 Giao Thức và hiện trạng mạng di động ở Việt Nam 84

Chương 9 Giao thức trong Release 4 84

9.1 Giao thức RTP 84

9.1.1 RTP ở giao diện Nb 84

9.1.2 Bộ nhận dạng nguồn 85

9.1.3 Bảo mật với RTP 86

9.1.4 Sự dư thừa trong RTP 86

9.2 Giao thức SDP (Session Description Protocol) 86

9.3 MGCP (Media Gateway Control Protocol) 86

9.4.4.1 Khởi tạo MG (khởi động lạnh) 100

9.4.4.2 Thiết lập cuộc gọi 102

9.4.4.3 Giải phóng cuộc gói: kịch bản 1, kịch bản 2, kịch bản 3 102

9.4.4.4 Kiểm tra giá trị_AuditValue 102

9.5 BICC (Bearer-Independent Call Control) 103

9.6 Giao thức SIGTRAN 104

9.7 Tổng kết 104

Chương 10 Giao thức trong Release 5 105

10.1 Giao thức SIP (Session Initiation Protocol) 105

10.1.5 Conferencing with SIP 109

Chương 11 Hiện trạng mạng di động ở Việt Nam 110

11.1 Hiện trạng công nghệ CDMA, GSM và WiMax trên thế giới 110

11.1.1 CDMA 110

11.1.2 GSM 111

11.1.3 WiMAX 111

11.2 Tình hình tại Việt Nam 111

11.3 Tình hình chuẩn bị lên 3G của các nhà khai thác viễn thông ở Việt Nam 113

Chữ viết tắt 117

Tài liệu tham khảo 124 

Hình 3.1: EGPRS giới thiệu những thay đổi trên BSS trong mạng GPRS 28

Hình 3.2: Biều đồ I/Q chỉ ra những ích lợi điều chế của EDGE 29

Bảng 3.2: Tốc độ và điều chế của MCS-1 tới MCS-9 29

Hình 3.3: Giao thức của EDGE 31

Hình 3.4: Hội tụ nhiều chuẩn khác nhau về EDGE 32

Hình 4.6: Nhóm giao thức của giao diện Iur 41

Hình 4.7: Giống giao thức giao diện Iur 43

Hình 4.8: Mô hình logic của Node B đối với FDD 44

Hình 5.1: Khái niệm mạng đơn đối với R4 UMTS 45

Hình 5.2: Những phần tử mới cho mạng UMTS R4 46

Hình 5.3: Kiến trúc mạng BICC với giao diện A và Iu 48

Hình 5.4: User plane cho UMTS R4 49

Hình 6.1: Hệ thống phụ đa truy nhậm ( IP multimedia subsystem (IMS) ) 50

Hình 6.2: Chuyển đổi báo hiệu trong SGW 54

Hình 6.3: Kiến trúc IMS 55

Hình 7.1: Kiến trúc của WLAN 59

Hình 7.2: Tốc độ dữ liệu và sự phụ thuộc của chúng vào di động 61

Hình 7.3: Kiến trúc nối liền giữa WLAN IEEE 802.11 và UMTS 62

Hình 7.4: Quan hệ nối liền giữa IEEE 802.11 WLAN AP và 3G-SGSN 63

Hình 7.5: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax 65

Hình 7.6: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ 66

Hình 7.7: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP 67

Hình 7.8: Kiến trúc mạng UMTS vệ tinh 69

Hình 7.9: Cấu trúc bên trong của cổng 69

Hình 7.10: Viễn cảnh vệ tinh trong suốt – Tích hợp ở Iub ( BPNodeB )

và ở Iu (BPRNC) 71

Hình 8.1: Các công nghệ không dây tích hợp mạng 4G 75

Hình 8.2: Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của mobile it forum 81

Hình 8.3: Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của mobi dick 82

Hình 8.4: Mô hình tham chiếu cho mạng di động 4g của cisco 82

Hình 8.5: Kết nối liên tục giữa các mạng 83

Hình 9.1: Điều khiển cổng phương tiện (media) 87

Hình 9.2: Lịch sử phát triển của H.248 88

Hình 9.3: Mô tả kết nối H.248 89

Hình 9.4: Vị trí của RTP 91

Hình 9.5: Mối quan hệ giữa bản tin và giao dịch 94

Hình 9.6: Mối quan hệ giữa giao dịch, context và lệnh 94

Bảng 3.1: GPRS và EDGE: So sánh thông tin kỹ thuật 28

Bảng 3.2: tốc độ và điều chế của MCS-1 tới MCS-9 29

Phần I Các công nghệ mạng thông tin di động GSM Chương 1 Mạng thông tin di động GSM

1.1 Lịch sử phát triển

Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, khởi đầu từ những năm 70 với các công nghệ tiêu biểu như AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại North American (1983), NTT tại Nhật (1977) và NMT (Nordic Mobile Telephone) tại Europe (1983)

Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT – European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations) thành lập 1 nhóm nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu âu

Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991

Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI – European Telecommunication Standards Institute) được thành lập, có trách nhiệm biến đổi nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European

Ngày 01/07/1991 ở Phần Lan (finland) cuộc gọi điện thoại GSM đầu tiên từ công viên Helsinki, đánh dấu GSM900 Phase 1 ở European

Năm 1995, chuẩn GSM đã phát triển lên Phase 2 Tập trung phát triển vào phát đàm thoại và những dịch vụ liên quan đến những cuộc gọi đàm thoại

N ăm 1998, 3GPP (the Third Generation Partnership) phát triển chuẩn GSM lên GPRS và EDGE

Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA -1G, 2G – là kết hợp FDMA và TDMA, 3G – CDMA

1.2 Hệ thống GSM

Hệ thống GSM làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ

(890-960MHz) Băng tần được chia làm 2 phần: ƒ Uplink band từ (890 – 915) MHz ƒ Downlink ban từ (935 – 960)MHz

Băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số

riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM Tốc độ mã từ (6.5 – 13)Kbps

125 kênh tần số được đánh số từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần số tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number)

Ful(n) = 890 MHz + (0,2MHz) * n Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz

Với 1 <= n <= 124

Cấu trúc của 2 kênh vật lý và kênh logic:

- Các kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến của GSM Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA dài 4,62ms gồm có 8 khe thời gian (một khe dài 577μs)

- Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS Các kênh logic này được đặt vào kênh vật lý nói trên Có thể chia các kênh logic gồm 2 loại kênh: các kênh lưu lượng (TCH) và các kênh báo hiệu điều khiển

Kỹ thuật đa truy cập tại giao diện vô tuyến

- Trong hệ thống thông tin vô tuyến/ di động, các kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng đề điều khiển việc cấp phát tài nguyên mạng

- Mục đích của các kỹ thuật đa truy nhập là: Cung cấp cho mỗi người dùng (user-đầu cuối) phương cách truy nhập xác định tới nguồn tài nguyên cần chia sẻ (phổ tần số - spectrum); giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu giữa các thuê bao; sử dụng hiệu quả băng tần sẵn có; hỗ trợ việc cấp phát tài nguyên linh hoạt (cho các dịch vụ khác nhau)

Các phương pháp đa truy nhập

Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access )

Khái niệm: FDMA là một phương thức đa truy nhập mà mỗi thuê bao được cấp phát một kênh tần số xác định và duy nhất thuê bao đó có quyền sử dụng kênh tần số này trong suốt quá trình liên lạc (Qualcomm, 1997)

Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access)

Khái niệm: TDMA là phương thức chia sẻ kênh tần số được cấp phát cho một số thuê bao Tuy nhiên, mỗi thuê bao chỉ được phép trao đổi thông tin (thu/phát) tại

một khe thời gian nhất định trước khi đó các kênh mang thông tin của các thuê bao sử dụng chung 1 kênh tần số được phân biệt về mặt thời gian (Qualcomm, 1997)

Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access)

Khái niệm: CDMA là một phương thức đa truy nhập trong đó các thuê bao có thể sử dụng đồng thời kênh tần số được cấp phát tại mọi thời điểm và được phân kênh thông qua một mã được cấp phát duy nhất Tín hiệu được phân biệt tại máy thu sử dụng một bộ tương quan cho phép chỉ nhận năng lượng tín hiệu từ kênh mong muốn Tín hiệu từ các kênh khác được coi như nhiễu đối với máy thu đó (Qualcomm, 1997)

1.2.1 Các thành phần của hệ thống

PLMN theo chuẩn GSM được chia làm 3 phân hệ:

™ Phân hệ chuyển mạch – NSS (Network Switching Subsytem): MSC, HLR, VLR, AuC, EIR

™ Phân hệ vô tuyến – RSS = BSS + MS RSS – Radio SubSystem

-> MS = ME +SIM: Trong SIM chứa các số nhận dạng IMSI, TMSI; số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI

- > BSS = TRAU + BSC + BTS: BSS kết nối với NSS qua cổng PCM cơ sở 2Mbps

™ Phân hệ vận hành và bảo dưỡng (khai thác) – OMS (Operation and Maintenance Subsystem) Phân hệ khai thác thực hiện 3 chức năng chính: Khai thác và bảo

dưỡng mạng, Quản lý thuê bao và tính cước, Quản lý thiết bị di động

Hình 1.1: Mô hình hệ thống GSM 1.2.1.1 phân hệ vô tuyến

BSS (Base Station System ) có chức năng cung cấp đường truyền giữa MS với tổng

đài MSC BSS trao đổi thông tin với MS trên giao diện vô tuyến Um và với MSC (SGSN) bằng các truyến truyền dẫn 2Mbps qua giao diện A(Gb): BSS = BSC + BTS + TRAU (TCE)

BSC ( Base Station Controller) điều khiển 1 vài Cell (1 vài BTS) vàquản lý tất cả

giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển xa BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (handover) Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có vai trò quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao BSC phải thực hiện 1 vài chức năng:

- ước lượng báo hiệu giữa MS và tổng đài (mạng lõi – CN)

- performing gaging in a group of cells for every mobile terminating call (MTC)

- Quản lý tài nguyên vô tuyến đối với mỗi BTS

- Chuyển mạch khe thời gian từ mạng lõi tới đúng BTS

- Cung cấp điểm truy cập bảo trì và vận hành chính cho toàn bộ BSS - Lưu dữ cấu hình data đối với tất cả những phần tử trong BSS Handover là 1 thuê bao từ Cell này đến cell khác, yêu cầu mọi BTS phải:

Î Đánh giá thông báo đo lường được phát từ mọi di động trong suốt quá trình gọi, để xác định khi nào thì chuyển giao

Î Truy cập tới tài nguyên có sẵn trong mỗi BTS hàng xóm;

Î Có thể thông tin với BTS hàng xóm để yêu cầu tài nguyên cho mỗi mobile cần handover, và hợp tác handover

Î Hợp tác handover(chuyển giao) với tổng đài điện thoại mục đích để nó biết BTS nào đang xử lý mỗi cuộc gọi

BTS (Base Transceiver Station) trong 1 cell BTS có chức năng trao đổi thông tin

với MS Mỗi BTS bao gồm các thiết bị thu phát, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến để cung cấp giao diện vô tuyến cho một cell Dung lượng kênh thoại của mạng GSM, trong bất kỳ một vùng, được xác định bởi số lượng tần số mang trên mỗi cell và mật độ cell trên một vùng nhiệm vụ chính của BTS là:

- Mã kênh (sử dụng FR, HR hoặc EFR), mật mã và giải mật mã (chỉ với những kết nối chuyển mạch kênh)

- đồng bộ một vài mật mã MS về thời gian và tần số

- Khối vô tuyến tương tự để điều chế, khuyếch đại và phối hợp thu phát - Khối băng gốc để phối hợp tốc độ truyền thoại, số liệu và mã hoá kênh - sự ước lượng và optimizatin về chất lượng phát UL và DL (sử dụng nhiều

cách đo riêng và những thông báo đo MS)

TRAU(TCE): Tín hiệu trên giao diện vô tuyến được mã hoá ở tốc độ 13kbps sử

dụng mã tiền định tuyến tính LPC Để thích ứng tốc độ này với tốc độ mạng thoại cố định PSTN cần có bộ chuyển đổi mã TRAU để chuyển đổi giữa 13kbps LPC và 64kbps PCM giữa MS và MSC TRAU có thể đặt tại BTS, BSC hoặc tại MSC Mỗi 20ms chứa 260bit tiếng sẽ được bổ sung 60bit và tốc độ luồng số mỗi kênh đạt 16kbps Với truyền số liệu, không cần chuyển đổi mã nhưng tốc độ số liệu thay đổi

từ 9,6kbps lên 16kbps để truyền trên giao diện kênh mặt đất (trong đó có 3kbps TRAU)

ME (Mobile Equiptment) = hardware + software là thiết bị di động ME tương

đương số IMEI = Assigned at the factory

SIM: lưu giữ thông tin nhận thực thuê bao và mật mã hoá/ giải mật mã hoá Các

thông tin lưu dữ trong SIM Các sô nhận dạng IMSI, TMSI

- Khoá nhận thực Ki - Khoá mật mã Kc

- Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI (LAI – Location Area ID) - Danh sách các tần số lân cận

Có 3 lớp khác biệt của thiết bị di đ ộng (ME) GPRS với GSM

- Lớp A: thiết bị có khả năng xử lý cuộc gọi thoại và chuyển gói data ở cùng một thời điểm

- Lớp B: Thiết bị có thể xử lý thoại hoặc lưu lượng gói data và có thể đặt việc chuyển gói ở trạng thái trờ để nhận cuộc gọi thoại

- Lớp C: Thiết bị có thể xử lý cả 2 thoại và data

1.2.1.2 phân hệ chuyển mạch

MSC ( Mobile service Switching Centre) có nhiệm vụ điều phối việc thiết lập

cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM Một mặt giao tiếp với BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài (qua GMSC) MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC MSC thực hiện các chức năng: Xử lý cuộc gọi, vận hành và bảo dưỡng, chức năng tương tác và tính cước MSC có thể triển khai ở 2 dạng: MSC server - xử lý báo hiệu; CS-MGW xử lý báo hiệu người dùng

MSC server điều khiển cuộc gọi từ lúc bắt đầu đến kết thúc trong miền CS, hoàn thành báo hiệu và biên dịch vào trong mạng báo hiệu Chứa dữ liệu dịch vụ thuê bao trong VLR và dữ liệu liên quan CAMEL

CS-MGW (Circuit Switch - Media Gateway Function) giúp chuyển đổi phương tiện, điều khiển vật mang và xử lý kích thước gói qua giao diện Iu H.248 được đề nghị để xác nhận mã phụ thêm và những giao thức đóng khung

IWF (the Interworking Function) nối tới MSC để cung cấp liên kết giữa mạng

PLMN và mạng cố định (ISDN, PSTN và PDNs) Việc giao tiếp với mạng ngoài đòi hỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác IWF) để thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM và các mạng ngoài Chức năng của IWF là

- phụ thuộc vào dịch vụ và loại mạng cố định

- Chuyển giao thức được dùng trong mạng PLMN sang những giao thức được dùng trong mạng cố định

GMSC (the Gateway MSC): Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSM,

trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng GMSC mà không cần biết vị trí hiện thời của thuê bao.GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú) Muốn vậy, trước hết các tổng đài phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này: MSC -> HLR tương ứng -> MSC có MS

- GMSC quyết định điều khiển kết nối với mạng bên ngoài, khi truy vấn tới HLR và MSC

- Được triển khai trên 2 thực thể: GMSC server – xử lý báo hiệu và CS-MGW - Nếu cuộc gọi là đàm thoại/quảng bá, thì call được định tuyến trực tiếp tới

MSC kết nối với VBS/VGCS

HLR (the Home Location Register) là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các

thông tin về thuê bao

- Các số nhận dạng thuê bao IMSI, MSISDN - Các thông tin về thuê bao (từ 1-4 triệu thuê bao ) - Danh sách các dịch vụ MS được/hạn chế sử dụng - Số hiệu VLR đang phục vụ MS

AuC (the Authentication Centre) là cơ sở dữ liêu lưu giữ các khoá thuê bao Ki cho

tất cả các thuê bao trọng mạng AuC có chức năng nhận thực và tạo khoá Kc để sử dụng trong cuộc gọi

VLR (the Visition Location Register) là cơ sở dữ liệu trung gian lưu giữ tạm thời

thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR

- Vị trí hiện thời của MS trong vùng phục vụ MSC nào - Trạng thái thuê bao (bận-busy, rỗi-idle)

- Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI - Nhận dạng vùng LAI

- Số lưu động trạm di động MSRN

EIR (the Equipment Identity Register) là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của

thiết bị ME qua số IMEI Một số thiết bị sẽ có số IMEI thuộc 1 trong 3 danh sách - Sách trắng: IMEI hợp lệ

- Sách đen: IMEI của MS bị mất cắp

- Sách xám: IMEI của MS bị lỗi không đáp ứng đựơc chuẩn GSM

EIR được truy cập từ MSC của mạng hoặc MSC mạng khác Trong mạng có thể có nhiều EIR

SMS – GMSC (SMS Gateway MSC) là một giao diện giữa trung tâm SMS và PLMN, message ngắn được gửi tới MS từ trung tâm dịch vụ (SC – Service Centre) 1.2.2 Các giao diện trong mạng GSM

1.2.2.1 Giao diện A giữa BSS – MSC

Là khả năng cung cấp nhiều dịch vụ cho những người dùng GSM và thuê bao Thêm vào đó, giao diện A cho phép cấp phát tài nguyên phù hợp trong mạng PLMN, vận hành và bảo quản những tài nguyên này

Chỉ tiêu kỹ thuật mà giao diện A cho phép là:

- Kết nối của nhiều hãng sản xuất BSS khác nhau tới cùng 1 MSC và ngược lại - Sử dụng cùng một kiểu BSS (MSC) trong nhiều mạng PLMN

- Phát triển riêng của MSC và kỹ thuật BSS - Tiến tới giảm tốc độ mã thoại

- hỗ trợ tất cả những dịch vụ

Tập hợp những đặc tính gồm: Những tham số vật lý và điện từ trường, cấu trúc kênh, tiến trình vận hành mạng, thông tin vận hành và duy trì bảo dưỡng Định nghĩa giao diện MSC tới BSS giống trong mạng ISDN Lớp 3 có thêm những thủ tục để điều khiển tài nguyên vô tuyến và nhận dạng nhiều sự kiện sử dụng SCCP Lớp 2 dựa vào báo hiệu SS7 MTP (Message Transfer Part), hoặc trong trường hợp vận chuyển báo hiệu cơ sở IP – M3UA và SCTP Trong trường hợp SS7 MTP, lớp 1 là số (ở 2,048Mbps) hoặc tương tự thì data vẫn được cho qua vì sử dụng modem

Cụ thể hoá lớp 3 là 2 giao thức giao diện được nhận dạng trong BSS tới MSC là: BSSOMAP, BSSAP

- BSSAP được chia thành BSSMAP và DTAP: DTAP text giúp messages giao diện không khí ở lớp 3 được đi qua BSS và DTAP text cũng được xử lý ở BSS; BSSMAP chịu trách nhiệm nhiều khía cạnh của xử lý tài nguyên vô tuyến trong BSS Text được cấu trúc như một tập những tiến trình được định nghĩa và có thể tận dụng bởi nhà khai thác/ nhà sản xuất để phù hợp tới những yêu cầu ứng dụng đang dùng Chính những tiến trình bị điều khiển theo những chế độ khác nhau phụ thuộc vào tham số đầu vào được nhận từ MSC hoặc được gửi từ OMC

- BSSOMAP hỗ trợ tất cả những thông tin O và M cho BSS bởi MSC hoặc BSS

1.2.2.2 Giao diện Abis giữa BSC – BTS

Giao diện Abis có khả năng hỗ trợ tất cả những dịch vụ tới người dùng GSM và nhiều thuê bao Thêm vào đó, nó cho phép điều khiển thiết bị và cấp phát tần số trong BTS

Những chỉ tiêu kỹ thuật giao diện Abis cho phép:

- Kết nối của nhiều nhà sản xuất BTS/TRX khác nhau tới cùng một BSC và ngược lại, tuỳ theo định vị những bộ chuyển mã

- sử dụng cùng một loại BTS/TRX (BSC) trong nhiều mạng PLMN, tuỳ theo sự định vị bộ chuyển mã

- Phát triển riêng của BSC và kỹ thuật BTS/TRX - Tiến tới đổi mới những tiện nghi O & M

- Định vị những bộ chuyển mã trong BSC hay trong BTS - Giải pháp vật lý khác nhau của thiết bị khác nhau trong BTS - Hỗ trợ TRX đơn cấu thành BTS

Định nghĩa giao diện Abis tiến tới giống ISDN: Lớp 3 bằng những tiến trình thêm vào để điều khiển tài nguyên vô tuyến; Lớp 2 dựa vào giao thức LAPD; Lớp 1 là số (ở tốc độ 2,048Mbps) hoặc tương tự thì data được đi qua bởi modem

Trường hợp transcoder được đặt bên ngoài BTS, trễ truyền toàn bộ trên 1 đường giữa điểm kết nối PSTN/ISDN và MS được giới hạn là 1,5ms ( xấp xỉ 300km) Transcoder đặt trong BTS, giới hạn là 6,5ms (xấp xỉ 1300km) Transcoder là một phần của BSS và có thể được đặt ở bên ngoài BTS (e.g ở MSC-site hoặc ở BSC-site) để có thể ghép kênh thoại và data trên những đường link trong BSS và trên đường link BSC-BTS

TRX (Transceiver): trong mạng GSM PLMN là một phần tử chức năng hỗ trợ 8

kênh vô tuyến cơ sở của TDMA-frame

BCF (Base Control Function): là phần tử chức năng xử lý những chức năng điều

khiển chung trong BTS, e.g frequency hopping sequences Ở nhiều BTS-site, một trong số những BCF có thể được chọn để thực hiện nhiều chức năng thông thường (e.g external alarms, power supply, time base)

1.2.2.3 Giao diện B giữa MSC server – VLR

VLR là cơ sở data định vị và quản lý những thuê bao di động roaming đến khu vực MSC server mà VLR kết hợp Bất kỳ khi nào MSC server cần data liên quan tới MS trong khu vực MSC này, nó sẽ tham chiếu tới VLR Khi MS roam đến một vùng định vị khác, nó sẽ updating thông tin location với MSC server ở nơi đó, MSC server lại thông tin tới VLR để chứa thông tin này Khi một thuê bao kích hoạt dịch phụ hay giảm bớt một vài data gắn với dịch vụ, MSC server thông tin (thông qua VLR) tới HLR là nơi chứa nhiều sửa đổi và updata tới VLR nếu yêu cầu Giao diện B bên trong MSC server/VLR

1.2.2.4 Giao diện C giữa HLR và MSC server

GMSC server phải tham chiếu tới HLR thuê bao yêu cầu để thực hiện định tuyến thông tin cuộc gọi hoặc bản tin ngắn (SMS) tới thuê bao đó

1.2.2.5 Giao diện D giữa HLR và VLR

Giao diện D được dùng để trao đổi data định vị MS và quản lý thuê bao Dịch vụ chính cung cấp cho thuê bao di động là thiết lập hoặc nhận những cuộc gọi Để hỗ trợ điều đó, những danh sách định vị phải trao đổi data VLR thông tin cho HLR định vị MS (HLR of location of MS) ( khi updating định vị hay thiết lập cuộc gọi) số roaming của MS đó HLR gửi tất cả data liệu cần tới VLR để hỗ trợ dịch vụ cho thuê bao di động Sau đó HLR chỉ đạo VLR trước đó phải xoá đi đăng ký định vị thuê bao này

1.2.2.6 Giao diện E giữa những MSC server

Khi một MS di chuyển từ một MSC này tới một MSC khác trong suốt cuộc gọi, tiến trình handover phải thực hiện để duy trì thông tin Do đó, những MSC server phải trao đổi data để bắt đầu và thực hiện hoạt động

Khi SMS được dịch chuyển giữa MS và trung tâm dịch vụ SMS, giao diện này có chức năng dich chuyển message giữa MSC server phục vụ MS và MSC server làm việc với SC

1.2.2.7 Giao diện F giữa MSC server và EIR

Giao diện F dùng để trao đổi data, mục đích để EIR có thể xác nhận tình trạng IMEI được gửi từ MS

1.2.2.8 Giao diện G giữa những VLR

Tiến trình đăng ký định vị sẽ xảy ra khi thuê bao di động di chuyển từ VLR này tới VLR khác Tiến trình này gồm việc phục hồi lại IMSI và những tham số xác nhận từ VLR cũ

1.2.2.9 Điểm giao diện Nc giữa MSC server và GMSC server

Trên điểm giao diện Nc, việc điều khiển cuộc gọi cơ sở giữa mạng - mạng được thực hiện Ví dụ là ISUP hoặc sự phát triển của ISUP cho điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC – Bearer Independent Call Control)

Lựa chọn khác dành cho vận chuyển báo hiệu trên Nc là IP Nc sẽ cho phép sử dụng bất kỳ giao thức điều khiển cuộc gọi phù hợp (BICC, SIP-T) mà có thể hỗ trợ yêu cầu lưu lượng

1.2.2.10 Giao diện H giữa HLR và AuC

Khi HLR nhận yêu cầu xác nhận và mật mã hoá dữ liệu cho thuê bao di động và nó cũng không dữ dữ liệu yêu cầu, HLR yêu cầu dữ liệu từ AuC

1.3 Sự phát triển hệ thống không dây

Thế hệ 1G: tất cả những hệ thống đều bắt nguồn từ 1G đó là hệ thống tương tự (với

thoại là lưu lượng chính) Một vài chuẩn là NMT, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac, TACS và ETACS

Thế hệ 2G: Tất cả những chuẩn thuộc vào 2G là trung tâm thương mại và chúng là

dạng số Vào khoảng 60% thương mại hiện nay bị chi phối bởi chuẩn Châu Âu Những chuẩn 2G là GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS (2,5G), HSCSD, và WiDEN

Thế hệ 3G: Đáp ứng yêu cầu phát triển dung lượng mạng, tốc độ (tốc độ dịch

chuyển dữ liệu) và những ứng dụng đa phương tiện, chuẩn 3G bắt đầu được đưa ra Những hệ thống trong chuẩn này là sự phát triển tuyến tính của hệ thống 2G Chúng dựa vào 2 cơ sở hạ tầng chính song song tồn tại đó là những node chuyển mạch kênh, và những node chuyển mạch gói ITU định nghĩa một bộ những kỹ thuật giao diện không khí cho 3G, như là phần sáng kiến của IMT-2000 Hiện nay, sự chuyển giao xảy ra từ hệ thống 2G tới 3G Một phần của sự chuyển giao này là một số những kỹ thuật đang được chuẩn hóa

Thế hệ 4G: Tùy theo nhóm làm việc 4G, cơ sở hạ tầng và đầu cuối của 4G sẽ có tất

cả những chuẩn từ 2G tới 4G đã triển khai Cơ sở hạ tầng cho 4G sẽ chỉ là gói IP) Một vài đề xuất đó là có một platform mở ở đó những đổi mới và phát triển có thể phù hợp Những kỹ thuật đang được xem xét như pre-4G là WiMax, WiBro, iBurst, 3GPP Long term Evolution và 3GPP2 Ultra Mobile Broadband Những kỹ thuật chính là:

(all kỹ thuật baseband (băng cơ sở) là

-> OFDM: để khai thác đặc tính kênh chọn lọc tần số -> MIMO: để đạt được hiệu suất phổ cao nhất

-> Turbo principle: để giảm đến mức nhỏ nhất SNR theo yêu cầu ở bên thu - Giao diện vô tuyến thích ứng

- Điều chế, xử lý không gian gồm MIMO nhiều anten và nhiều người dùng - Relaying (sự chuyển tiếp), gồm mạng chuyển tiếp cố định(FRN-Fixed Relay Network), và the cooperative relaying concept, được biết như là giao thức nhiều chế độ

Chương 2 Công nghệ GPRS 2.1 giới thiệu chung về GPRS

Hình 2.1: Tổng quan những thay đổi trong BSS và mạng lõi GSM

Những đặc điểm mới trong GPRS là:

- Chuẩn hoá dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói - Kết nối IP từ đầu cuối tới đầu cuối

- Giải pháp cơ sở cho mobile internet

- Mở rộng mạng GSM, với những node thêm vào : SGSN, GGSN Hệ thống phát dữ liệu GPRS trong GSM:

- Phát triển GSM: dùng lại toàn bộ cơ sở hạ tậng mạng GSM đang tồn tại (mạng vô tuyến GSM và những phần tử mạng chuyển mạch, như HLR và MSC/VLR), thêm hệ thống chuyển mạch gói

- GPRS cho phép thông tin IP giữa MS(Mobile Station) và IH (Internet Service Host) hoặc corporate LAN

- Kết nối IP end-to-end từ đầu cuối di động tới những ISP (Internet Service Provider) server Phát dữ liệu là end-to-end gồm cả giao diện không khí - Không cần kế hoạch tần số, sử dụng tần số GSM Kênh vô tuyến GPRS được

cấp phép tới người dùng chỉ khi phát hoặc nhận dữ liệu Kênh vô tuyến không được cấp phát trước tới MS, khi MS phát gói dữ liệu, nó được gửi qua

kênh vô tuyến tự do đầu tiên GPRS chia sẻ chung giao diện vô tuyến để cùng tồn tại với GSM chuyển mạch kênh

- Luôn luôn được kết nối, luôn luôn online

2.2 Phần tử mới trong GPRS

2.2.1 Những Node hỗ trợ của GPRS

Để tích hợp GPRS vào kiến trúc mạng GSM đang tồn tại, một lớp những node mạng được giới thiệu gọi là node hỗ trợ GPRS (GSNs – GPRS Support Node) GSNs chịu trách nhiệm phát và định tuyến những gói dữ liệu giữa MS và mạng dữ liệu bên ngoài (PDNs)

™ SGSN (Serving GPRS Support Node): Thanh ghi định vị chứa 2 loại dữ liệu

thuê bao cần thiết để xử lý bắt đầu và kết thúc việc truyền gói data User profiles: IMSI, nhận dạng tạm thời, địa chỉ PDP

Location information: Chế độ hoạt động của MS, Cell hoặc vùng định tuyến nơi mà MS đăng ký; số VLR của VLR được kết hợp (nếu Gs được triển khai); địa chỉ GGSN

Chức năng của SGSN: định tuyến, quản lý di động SGSN phát hiện và đăng ký vị trí cho các trạm di động GPRS mới trong phạm vi phục vụ của nó và truyền phát các gói số liệu giữa các trạm di động và các GGSN SGSN điều khiển các giao thức giao diện vô tuyến mức cao, cũng như các giao thức mạng GPRS, tính cước data người dùng

Chức năng cụ thể SGSN trong GSM/EDGE:

ƒ Tiến tới lưu lượng 60kbps (150kbps đối với EDGE) trên mỗi thuê bao ƒ Kết nối qua Frame relay hoặc IP tới PCU sử dụng chức năng giao thức Gb ƒ Chấp nhận data uplink để cấu thành gói IP

ƒ Bảo mật data downlink, giải mật mã data uplink

ƒ Thực hiện quản lý tới mức cell cho nhiều chế độ di động được kết nối

Chức năng cụ thể SGSN trong WCDMA

ƒ Lưu lượng tiến tới 300kbps trên mỗi thuê bao (R99)

ƒ Tiến tới lưu lượng khoảng 7,2Mbps downlink và 2mbps uplink (HSPA) ƒ Những gói downlink/uplink Tunnel/detunnel hướng tới RNC

ƒ Tiến tới quản lý di động tới mức RNC cho những chế độ di động được kết nối

™ GGSN (Gateway GPRS Support Node)chứa dữ liệu thuê bao nhận từ HLR và

SGSN Có 2 loại dữ liệu giống SGSN Subscription information: IMSI, địa chỉ PDP

Location information: địa chỉ SGSN cho SGSN nơi mà MS đăng ký

GGSN hành động như một giao diện tới mạng dữ liệu gói bên ngoài Nó chuyển đổi những gói GPRS đến từ SGSN thành định dạng PDP (Packet Data Protocol) tương ứng và gửi chúng ra ngoài trên mạng ở ngoài tương ứng Trong hướng ngược lại, địa chỉ PDP của gói data đến (là địa chỉ IP đích) được chuyển đổi thành địa chỉ GSM của người dùng đích GGSN chứa địa chỉ SGSN hiện tại và profile của những người dùng đăng ký vào thanh ghi định vị của nó GGSN có khả năng tập trung thông tin tính cước cho các mục đích thanh toán

Nói chung, có mối quan hệ nhiều - nhiều giữa SGSNs và GGSNs: Một GGSN giao diện với một mạng ngoài cần một vài SGSNs; một SGSN có thể định tuyến nhiều gói tới nhiều GGSNs khác nhau

2.2.2 Sự phân biệt Data/Voice trong BSS

PCU (the Packet Control Unit) có chức năng điều khiển đến MSC nếu là voice ,

điều khiển đến SGSN nếu là điện thoại GPRS Chức năng khác của PCU là : ƒ Chia ra từng gói và lắp lại, trên 2 đường tách biệt Downlink và Uplink ƒ Điều khiển truy nhập

ƒ Lập danh sách tất cả sự truyền tích cực gồm quản lý kênh vô tuyến ƒ Điều khiển truyền (kiểm soát, đệm, truyền lại )

PCU có thể được đặt trong mạng ở BTS, BSC hoặc ngay trước switch, vị trí thích hợp là ở BSC

2.2.3 Đơn vị điều khiển kênh (Channel Control Unit) Coding

Speed (kbit/s)

CS-1 8.0 CS-2 12.0

CS-3 14.4 CS-4 20.0

Bảng 1.1: Tốc độ từ CS-1 đến CS-4

Tốc độ truyền phụ thuộc vào mã hóa kênh The least robust, nhưng nhanh nhất, sự phối hợp mã CS-4 (vùng phủ sóng của Cell chiếm 25%) là MS gần BTS, khi CS-1(phủ sóng của Cell chiếm 98%) robust nhất thì được dùng khi MS đi ra xa hơn tính từ BTS Thiết bị mạng mới có thể adapt tốc độ truyền tự động phụ thuộc vào vị trí di động

Có rất nhiều địa chỉ, cụ thể là BTS phân biệt người dùng GPRS và không dùng GPRS Có một vài xác nhận yêu cầu của người dùng như cuộc gọi thông thường, gửi và nhận gói cụm (bursty packet), chia sẻ khe thời gian với nhiều người dùng GPRS khác và tạo ra mã CS(Coding Scheme)từ CS1 tới CS4 nhưng việc lựa chọn mã lại phụ thuộc vào chất lượng không khí Mỗi một CS lại sử dụng một hiệu chỉnh lỗi riêng để phù hợp với tốc độ dữ liệu trên giao diện không khí

Khi triển khai GPRS trong mạng GSM, mọi BTS cần nâng cấp phần mềm để có khả năng thực hiện những chức năng GPRS cụ thể như sử dụng CS1 tới CS4, hỗ trợ đo lường kênh vô tuyến GPRS Việc nâng cấp như đơn vị mã hoá kênh (CCU – Channel Codec Unit) và luôn được đặt ở BTS CCU kế thừa một vài chức năng quản lý vô tuyến PCU nếu latter không được đặt ở BTS

2.2.4 Mạng tổng đài roaming GPRS ( GPRS Roaming eXchange (GRX) Network)

Hình 2.2: Mạng tổng đài Roaming GPRS (GRX)

BG (the Border Gateway) Kiểm soát truyền gói giữa các mạng GPRS PLMN, Cung cấp mức bảo mật tương ứng để bảo vệ PLMN và nhiều thuê bao của nó

2.3 Giao diện trong mạng GPRS 2.3.1 Giao diện Gb giữa BSS và SGSN

Không giống với giao diện A, ở giao diện Gb mỗi người dùng được cấp phát tài nguyên duy nhất trong suốt thời gian tồn tại cuộc gọi, không quan tâm đến luồng thông tin, Giao diện Gb cho phép nhiều người dùng được ghép trên cùng một tài nguyên vật lý

Báo hiệu GPRS và dữ liệu người dùng có thể được gửi trên cùng tài nguyên vật lý Tốc độ truy cập với mỗi user thay đổi từ dữ liệu không tới băng thông lớn nhất có thể (TS 4818 700)

Mạng truy cập, kết nối PCU với SGSN được chuẩn hoá ở lớp 2 Nó chạy giao thức frame relay trên lớp 2 và BSSGP, LLC và SNDCP trên những lớp cao Khi BSSGP header được tạo bởi BSS thì những header lớp trên được tạo bởi MS Những header này được truyền xuyên qua BSS

Giới hạn của GPRS, header dịch vụ mạng (layer 2) chứa header của giao thức chuyển mạch (FR – Frame Relay: là một dạng phát dữ liệu packet mà giao diện Gb sử dụng giữa PCU và SGSN) cộng thêm thông tin về kết nối ảo dịch vụ mạng so-called Quyết định chuyển mạch chỉ dựa trên header FR

Khi giao thức lớp 1 ở luồng E1, nó có thể thiết lập nhiều thay đổi của kết nối vật lý giữa PCU và SGSN

Hình 2.3: Những lớp của giao diện Gb 2.3.2 Giao diện Gr giữa SGSN và HLR

Giao diện này được dùng để trao đổi dữ liệu liên quan tới định vị MS và tới quản lý thuê bao Dịch vụ chính là dịch chuyển dữ liệu gói SGSN cho HLR biết vị trí của MS HLR gửi tới SGSN tất cả dữ liệu cần để hỗ trợ dịch vụ tới thuê bao di động

2.3.3 Giao diện Gn và Gp giữa SGSN và GGSN

Những giao diện này hỗ trợ tính di động giữa SGSN và GGSN Giao diện Gn được dùng khi GGSN và SGSN cùng trong một PLMN Giao diện Gp được dùng nếu GGSN và SGSN trong nhũng PLMN khác nhau Giao diện Gn/Gp có một bộ phận mà cho phép SGSNs thông tin tới thuê bao và dữ liệu người dùng, khi thay đổi SGSN

Kết nối trong mạng SGSN và GGSN được định nghĩa cho tới lớp 3 Mạng phát dữ liệu người dùng ở khung GTP ( GPRS Tunnelling Protocol), khung này được gói tiếp thành UDP và IP IP giúp định tuyến xuyên qua mạng Gn từ đó phát khung GTP giữa một SGSN và một GGSN DNS cũng sử dụng giao diện này Giao diện Gp là giao diện dựa vào IP giữa SGSN bên trong và GGSNs bên ngoài Giữa SGSN và GGSN bên ngoài, có Border Gateway (giống như một firewall) Cũng sử dụng giao thức GTP

2.3.4 Giao diện Gc là đường báo hiệu giữa GGSN và HLR

GGSN sử dụng đường báo hiệu không bắt buộc này (Gc) để lấy thông tin định vị (vị trí) và hỗ trợ nhiều dịch vụ cho thuê bao di động, để có thể kích hoạt địa chỉ mạng dữ liệu

2.3.5 Giao diện Gf giữa SGSN và EIR

Giữa SGSN và EIR là giao diện Gf chức năng là trao đổi dữ liệu, mục đích là để xác minh trạng thái của IMEI nhận được từ MS

2.3.6 Giao diện Gs giữa MSC/VLR và SGSN

Giao thức này cho phép paging và sự sẵn sàng của trạm khi thực hiện truyền dữ liệu Khi trạm attach tới mạng GPRS, SGSN theo dõi vùng định tuyến (RA) mà trạm attach Một RA là một phần LA Khi trạm (station) được đánh số thì thông tin này là tài nguyên mạng Khi trạm thực hiện PDP context, SGSN có BTS đang được sử dụng bởi trạm (station)

2.4 Giao thức GPRS

EDGE được giới thiệu cho mạng GSM trên khắp thế giới từ năm 2003, bắt đầu ở Bắc Mỹ GSM/EDGE Radio Access Network (GERAN)

EDGE là giải pháp để tăng tốc độ dữ liệu trên đường vô tuyến GSM EDGE chỉ giới thiệu một kỹ thuật điều chế mới và mã hoá kênh mới mà có thể phát cả 2 thoại chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh và dịch vụ dữ liệu Do đó, EDGE là thêm vào GPRS và không thể làm việc một mình GPRS và EDGE có giao thức khác nhau và cách hoạt động khác nhau trên BSS Tuy nhiên trên mạng lõi, GPRS và EGPRS cùng chia sẻ những giao thức xử lý gói và cách thức

EDGE không yêu cầu những thay đổi phần cứng hoặc phần mềm trong mạng lõi GSM Những đơn vị thu phát tương thích với EDGE phải được cài đặt (installed) và BSS cần phải được nâng cấp để hỗ trợ EDGE Phần cứng đầu cuối di động mới và phần mềm yêu cầu phải giải mã/mã hoá (decode/encode) điều chế mới và phối hợp mã và mang tốc dộ data user cao hơn để triển khai dịch vụ mới

Hình 3.1: EGPRS giới thiệu những thay đổi trên BSS trong mạng GPRS

Bảng 3.1: GPRS và EDGE: So sánh thông tin kỹ thuật (8PSK, 8-phase shift

keying; GMSK, Gaussian minimum shift keying; MSC, Modulation coding scheme)

EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ Đây là lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn ITU đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian

™ Kỹ thuật điều chế

GMSK – Gaussian minimum shift keying là một loại điều chế pha Kỹ thuật này tương ứng là biều đồ I/Q trong đó I là thực và Q là ảo, mỗi lần phát đi bit 1 hoặc 0 là pha thay đổi với lượng gia số + _ p, mỗi ký tự phát đi tương ứng là một bit, mỗi lần dịch pha miêu tả một bit

Để tăng tốc độ bit cao hơn thì phương pháp điều chế phải thay đổi EDGE tận dụng cấu trúc kênh, bề rộng kênh, mã hoá kênh và những cơ cấu đang tồn tại và tính năng hoạt động của GPRS và HSCSD Chuẩn điều chế sử dụng trong EDGE là 8PSK (8-Phase Shift Keying)

Hình 3.2: Biều đồ I/Q chỉ ra những ích lợi điều chế của EDGE Coding and

modulation scheme (MCS)

Bảng 3.2: tốc độ và điều chế của MCS-1 tới MCS-9

Phương pháp điều chế 8PSK là phương pháp tuyến tính, một ký tự ánh xạ tới 3 bit liền nhau trong I/Q plane Do đó, tốc độ dữ liệu tổng tăng lên gấp 3 lần

Khoảng cách giữa những ký tự khác nhau trong 8PSK ngắn hơn so với GMSK Khoảng cách ngắn làm tăng rủi ro cho việc phân biệt những ký tự trong máy thu, khi điều kiện thời tiết xấu Tuy nhiên, những bit thêm vào được dùng để cộng vào mã hiệu chỉnh lỗi, thông tin hiệu chỉnh có thể được lấy lại Chỉ dưới điệu kiện môi trường xấu GMSK có hiệu quả hơn Do đó, EDGE coding scheme sử dụng cả GMSK và 8PSK

™ Thích nghi liên kết

Thích nghi liên kết sử dụng chất lượng liên kết vô tuyến, đo bởi MS trên đường truyền downlink hoặc bởi BTS trên đường truyền uplink, để chọn MCS phù hợp nhất cho việc phát những gói kế tiếp

3.2 Chuẩn hoá

™ Hoàn thành chuẩn EDGE: Chuẩn EDGE có thể được chia làm 3 vùng − Chuẩn hoá những thay đổi lớp vật lý (định nghĩa điều chế và CS) − Những thay đổi giao thức cho ECSD

− EGPRS

™ chuẩn EDGE và những tham khảo

BSS của EDGE cung cấp platform để thực hiện kỹ thuật điều chế mới, trong khi NSS của EDGE định nghĩa những thay đổi mạng để thoả mãn lớp vật lý EDGE cung cấp 2 phase:

− Phase 1: Những dịch vụ chuyển mạch gói đơn khe và đa khe và những dịch vụ chuyển mạch kênh đơn khe và đa khe

− Phase 2: Những dịch vụ thời gian thực thực hiện kỹ thuật điều chế mới mà không bị gộp trong phase 1

Phase 1 được hoàn thành ở R99 của 3GPP

Phase 2 vẫn đang được tiếp tục bởi chuẩn 3GPP, và phạm vi của nó đã được mở rộng trong WCDMA và cung cấp IMS

Hình 3.3: Giao thức của EDGE

3.3 Tương lai của GSM/EDGE là hướng tới WCDMA

Bước phát triển tiếp theo cho hệ thống tế bào GSM/EDGE, gồm nhiều cải tiến về dịch vụ trong miền chuyển mạch gói và tăng liên kết cung cấp dịch vụ trong UMTS/UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network)

Dựa vào kỹ thuật phát tốc độ cao GSM/EDGE kết hợp với những nâng cao tới giao diện liên kết vô tuyến GPRS, GERAN sẽ cung cấp nhiều hỗ trợ tiên tiến cho tất cả chất lượng của nhiều lớp dịch vụ cho UMTS: interactive, background, streaming and conversational Do đó, phạm vi mới của những ứng dụng, những ứng dụng đa phương tiện IP, sẽ được hỗ trợ đầy đủ

3 4 Lợi ích của EGPRS

EGPRS giới thiệu kỹ thuật điều chế mới, cùng với những cải tiến về giao thức vô tuyến, mà cho phép các nhà khai thác sử dụng phổ tần đang tồn tại (800, 900, 1800 và 1900MHz) hiệu quả hơn

Những cải tiến đơn giản về giao thức đang tồn tại của GSM/GPRS làm cho EDGE chi phí hiệu quả, dễ để triển khai add-on, nâng cấp phần mềm mới trong BSS để cho phép sử dụng những giao thức mới; những đơn vị thu phát mới trong BTS cho phép sử dụng kỹ thuật điều chế mới

EDGE gấp 3 lần dung lượng của GPRS Sự tăng dung lượng này cải thiện việc thực thi những ứng dụng đang tồn tại và cho phép những dịch vụ mới như dịch vụ đa phương tiện

Với EDGE, nhà khai thác có thể triển khai những ứng dụng data không dây, gồm đa phương tiện không dây, e-mail, thông tin web và dịch vụ định vị, cho những người tiêu dùng và thương mại Những thuê bao có thể duyệt internet trên điện thoại di động của họ, trợ giúp kỹ thuật số cá nhân hoặc laptop ở tốc độ giống với máy tính để bàn

Hình 3.4: Hội tụ nhiều chuẩn khác nhau về EDGE

ECSD : Dịch vụ HSCSD (high-speed circuit – switched data) để truyền data ở chế

độ chuyển mạch kênh trên vài khe thời gian được gọi là ECSD (Enhanced switched data) Hỗ trợ tốc độ GSM hiện tại (2,4kbps, 4,8kbps, 9,6kbps và 14,4kbps) , CSs mới kết hợp với điều chế mới, cho phép tốc độ data :28,8kbps, 32kbps và 43,2kbps trên mỗi khe thời gian Vì vậy, ECSD hỗ trợ di động đa khe trên 4 khe thời gian có thể đạt tới tốc độ 172,8kbps, ECSD sử dụng sự thích ứng liên kết động để adapt hết khả năng tới những điều kiện vô tuyến

circuit-EDGE classic là sự phát triển từ GPRS lên circuit-EDGE còn được gọi là EGPRS EGPRS

dựa vào kiến trúc mạng GPRS, tốc độ lên tới 475kbps cho máy thu hỗ trợ Rx trên 8 khe thời gian

EDGE compact là sự phát triển IS-136 U.S, băng tần số giống như D-AMPS

UMTS sử dụng WCDMA, WCDMA như chuẩn phát vô tuyến Nó có băng thông kênh là 5 MHz, có thể mang 100 cuộc gọi cùng một lúc, hoặc nó có thể mang dữ liệu tới 2 Mbps Tuy nhiên, với sự tăng cường HSDPA và HSUPA chính là trong những release sau này (R99/R4/R5/R6) của chuẩn, tốc độ phát dữ liệu tăng tới 14,4 Mbps

Hình 4.1: Vùng phủ sóng của UMTS

UMTS cho phép cả 2 chế độ FDD và TDD Chế độ đầu tiên là FDD là uplink và downlink trên các tần số khác nhau Không gian giữa chúng là 190MHz cho mạng band 1 Ở TDD uplink và downlink được chia theo thời gian với những trạm cơ sở (base station) và sau đó di động phát lần lượt trên cùng tần số, đặc biệt phù hợp tới nhiều loại ứng dụng khác nhau Nó cũng thực hiện ở những cell nhỏ Thời gian bảo vệ được yêu cầu giữa phát và thu Hệ thống TDD có thể hiệu quả khi sử dụng trong picocell để mang dữ liệu internet

Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào UMTS tần

số cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 – 2025)MHz và Downlink (2110 – 2200) MHz Bên trong những băng này nhiều sự phân chia đã được dữ trữ cho những ứng dụng khác

- (1920 – 1980) và (2110 – 2170)MHz FDD (FDD, WCDMA) ghép thành cặp uplink và downlink, băng thông là 5MHz và vạch quét là 200kHz, một nhà khai thác cần 3-4 kênh (2 x 15MHz hoặc 2 x 20MHz) có thể xây dựng mạng tốc độ cao, dung lượng cao

- (1900-1920) và (2010 – 2025) MHz TDD (TDD, TD/CDMA) không được ghép thành cặp, băng thông là 5MHz và vạch quét(raster) là 200kHz Việc phát và thu không bị tách biệt trong tần số

- (1980-2010) và (2170-2200) MHz Satellite uplink và downlink Tần số được thiết kế bởi UARFCN, UARFCN = 5 x (frequency in MHz)

UMTS sử dụng WCDMA như một cơ cấu vận chuyển vô tuyến Điều chế trên đường uplink và downlink là khác nhau Downlink sử dụng dịch khóa pha cầu phương (QPSK) cho tất cả những kênh vận chuyển Tuy nhiên, Uplink sử dụng 2 kênh riêng biệt để thực hiện quay vòng của bộ phát ở trạng thái on và off để không gây ra nhiễu trên đường audio, những kênh đôi ( dual channel phase chifl keying) dùng để mã hóa dữ liệu người dùng tới I hoặc đầu vào In-phase tới bộ điều chế DQPSK, và điều khiển dữ liệu đã được mã hóa bằng việc sử dụng mã khác nhau tới đầu vào Q hoặc quadrature tới bộ điều chế

- cdma2000, chuẩn 3G khác Nó là một sự nâng cấp cdmaOne Nó sử dụng trải phổ rộng do đó có thể phát và thu thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn, phát dữ liệu internet nhanh, video, và phát nhạc chất lượng CD Tuy nhiên, có nhiều phần tử cdma2000 được gọi là cdma20001X, 1X-EV-DV, 1X EV-DO, và cdma2000 3X Chúng phát dịch vụ 3G khi chiếm dữ một phổ tần nhỏ (1,25 MHz mỗi sóng mang)

Ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM:

- Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến - Có khả năng truyền tải đa phương tiện

- Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là 2Mbps

- Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn - Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp được với mạng NGN

- Chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng mạng tăng lên 4-5 lần so với GSM - CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin - Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so với GSM

Các phương thức truyền tin song công giữa MS và BS

Truyền sóng phân chia theo thời gian (TDD – Frequency Division Duplex)

Hình 4.2: Những phần tử mới cho mạng UMTS

Cơ sở hạ tầng GPRS được dùng để phát dịch vụ SMS và WAP tới cả 2 người dùng

GSM và UMTS, GPRS là cái cầu giữa 2G và 3G

Một phần của mạng GSM/GPRS vẫn được sử dụng, nhưng một số thành phần mới phải được triển khai cho UMST.s

Thiết bị user (UE): có thể hỗ trợ một hoặc nhiều chuẩn vô tuyến và chứa USIM

Nó đồng thời là bản sao tới Node B, RNC và CN

Giống như Node B, UE xử lý tín hiệu vô tuyến Nhiệm vụ tính toán chuyên sâu gồm sửa lỗi, trải phổ và điều chế tín hiệu tiếp tục là khuyếch đại năng lượng Giống với RNC, MS tham gia vào báo hiệu cho việc thiết lập kết nối và giải phóng còn thêm thực hiện chuyển giao Để thực hiện được mục đích này, nó đo cương độ môi trường nhận được từ những cell hàng xóm và phát giá trị đo được tới RNC Việc mật mã và giải mật mã thông tin cũng xảy ra với RNC trong UE

RNC ( Radio Network Controller) là một thiết bị mạng trong PLMN với chức năng

điều khiển một vài Node B RNC giống như BSC và đảm đương chức năng quản lý tài nguyên trong tất cả cell gắn tới nó( cấp phát kênh, handover, điều khiển năng lượng) Một số lượng lớn giao thức giữa UE và RAN được triển khai trong RNC

Hình 4.3: Kiến trúc phần truy nhập

Chức năng chính của RNC là quản lý kênh vô tuyến (trên Uu-, hoặc air-, interface) và kênh terrestrial ( hướng về MGW và SGSN) Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến gồm

- Điều khiển thừa nhận cuộc gọi: Kỹ thuật phát CDMA cung cấp một số lượng lớn kênh ở giao diện vô tuyến RNC phải tính toán tải lưu lượng hiện tại trong mỗi cell riêng biệt Thông tin cơ bản, CAC (Call Admission Control) xác định

mức nhiễu sau khi kênh yêu cầu đang sử dụng là chấp nhận, nếu cần thiết, loại bỏ kênh

- Quản lý tài nguyên vô tuyến RNC quả lý tài nguyên vô tuyến trong tất cả những cell được gắn trong nó Thêm vào đó là lập kế hoạch sử dụng kênh, công việc gồm tính toán nhiễu và mức tận dụng và điều khiển ưu tiên

- Thiết lập và giải phóng radio bearer: Radio bearer là kênh dữ liệu người dùng trong tầng truy cập trên phân lớp RLC RNC chịu trách nhiệp thiết lập, duy trì và giải phóng bearer theo yêu cầu

- Cấp phát mã: Mã CDMA trong UMTS được quản lý bởi cây mã RNC cấp phát một phần mã trong cây mã tới MS và có thể thay đổi cấp phát trong xuốt tiến trình kết nối

- Điều khiển năng lượng: Hoạt động hiệu quả của mạng CDMA đó là năng lượng phát của tất cả user bị điều khiển Quy trình điều khiển nhanh thực tế được đặt trong Node B nhưng giá trị điều khiển đích được ấn định ở RNC Dựa vào giá trị nhiễu đo được, thông tin từ các cell khác và trong một vài trường hợp thì dựa vào RNC boundaries

- Lịch trình gói: Bằng cách phát dữ liệu chuyển mạch gói, nhiều MS cùng chia sẻ tài nguyên ở giao diện vô tuyến RNC có chức năng cấp phát dung lượng phát tới nhiều trạm riêng biệt

- Handover: Dựa vào giá trị đo lường từ Node B và UE, RNC phát hiện cell khác tốt hơn phù hợp cho kết nối hiện tại RNC quyết định đến handover, chịu trách nhiệm báo hiệu với cell mới và thông tin cho MS kênh mới

- Xây dựng lại SRNS: Có thể MS sẽ di chuyển ra ngoài vùng quản lý bởi RNC Trong trường hợp này, RNC khác phải thừa nhận điều khiển kết nối

- Viết lại mật mã: Dữ liệu tới từ mạng cố định để phát trên giao diện vô tuyến phải được viết lại mật mã trong RNC

- Chuyển đổi giao thức: RNC phải xử lý thông tin giữa CN, RNC hàng xóm và Node B được kết nối

- Chuyển mạch ATM: Đường thông tin giữa những Node B và RNC, giữa những RNC và giữa RNC và CN là dựa vào định tuyến ATM RNC có thể phải chuyển mạch và kết nối tới kết nối ATM để cho phép thông tin giữa những node khác nhau

- O & M: Tóm tắt này chứa đựng những chức năng hành chính phức tạp trong quản lý mạng Dữ liệu có sẵn phải được phát trên giao diện được định nghĩa tới OMC (Operation and Maintenance Centre)

Node B: Tương đương với BTS Nhiệm vụ kết nối trực tiếp giao diện vô tuyến

được xử lý ở BTS Đầu vào đến từ RNC Node B có thể quản lý một hoặc một vài cell, Node B gồm một bộ thu CDMA để chuyển đổi tín hiệu vô tuyến thành dòng dữ liệu và sau đó hướng nó tới RNC trên giao diện Iub Trong hướng ngược lại, bộ phát CDMA chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho vận chuyển trên giao diện vô tuyến và định tuyến nó tới bộ khuyếch đại năng lượng

Có 3 loại Node B tương đương với 2 chế độ UTRA: UTRA-FDD Node B, UTRA-TDD Node B và Dual-mode Node B

Hiện nay, Node B liên kết tới RNC là qua liên kết ATM Khoảng cách lớn có thể giữa Node B và RNC và khoảng thời gian xử lý, nhiệm vụ thời gian then chốt không được chứa trong RNC: điều này bao gồm điều điều khiển năng lượng vòng lặp trong (ILPC – Inner Loop Power Control) trong mạng CDMA để tất cả người dùng cùng nhận một cường độ tín hiệu

RNC phải có một bức tranh chính xác tình huống hiện tại có thể trong cell để đưa ra quyết đinh handover, điều khiển năng lượng và điều khiển thừa nhận cuộc gọi Vì vậy, MS và Node B thực hiện đo chất lượng kết nối và mức nhiễu và phát kết quả tới RNC

Trong trường hợp đặc biệt của chuyển giao mềm, tách hoặc kết hợp những chuỗi dữ liệu của nhiều sector khác nhau cũng được xử lý trong Node B

4.3 Giao diện mới trong R99

4.3.1 Giao diện Iu giữa UTRAN – CN

Iu là giao diện mở chia hệ thống thành UTRAN và CN, xử lý chuyển mạch, định tuyến và điều khiển dịch vụ Iu có 3 trường hợp khác nhau: Iu CS là để kết nối UTRAN tới CS CN; Iu PS là để kết nối UTRAN tới PS CN; Iu Broadcast (Iu BC)

được dùng để hỗ trợ dịch vụ quảng bá cell 4.3.2 Giao diện Iu CS

Hình 4.4: Cấu trúc giao thức Iu CS

Lớp vật lý là giao diện với môi trường vật lý: Cáp quang, liên kết vô tuyến hoặc cáp đồng Triển khai lớp vật lý có thể được chọn từ nhiều kỹ thuật phát chuẩn như SONET, STM1, hoặc E1

Cụm giao thức Control Plane gồm RANAP, đỉnh của giao thức SS7 băng rộng Lớp phù hợp là:SCCP, MTP3-B và lớp thích hợp báo hiệu ATM (SAAL) cho giao diện mạng - mạng (SAAL-NNI gồm SSCF, SSCOP, AAL5) Lớp SSCF và SSCOP được thiết kế để vận chuyển báo hiệu trong mạng ATM, quản lý kết nối báo hiệu AAL5 giúp phân đoạn dữ liệu tới những cell ATM

Cụm giao thức Transport Network Control Plane bao gồm giao thức báo hiệu để thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630.1 và lớp thích hợp Q.2150.1), trên cùng là giao thức SS7 băng rộng

Cụm User Plane: Kết nối AAL2 được dành cho mỗi dịch vụ CS riêng

4.3.3 Giao diện Iu PS

Hình 4.5: Cấu trúc giao thức Iu PS

Cụm Control Plane gồm RANAP, và vật mang báo hiệu SS7, vật mang báo hiệu IP (gồm M3UA (có SS7), SCTP, IP, và AAL5) SCTP có chức năng vận chuyển báo hiệu trong internet

Transport Network Control Plane không hiệu quả với Iu PS, việc đưa ra tunnel GTP chỉ cần một bộ nhận dạng tunnel và địa chỉ IP cho cả 2 hướng, và chúng được gộp vào bản tin phân định RANAP RAB Iu CS cũng sử dụng những thành phần tin tức này để đánh địa chỉ và nhận dạng báo hiệu AAL2 được dùng cho dữ liệu user plane

User Plane, nhiều dòng dữ liệu gói được ghép trên một hoặc một vài kết nối ảo AAL5 Phần User Plane của giao thức tunnelling GPRS là cung cấp nhiều nhận dạng cho luồng dữ liệu gói riêng Mỗi luồng sử dụng vận chuyển không kết nối UDP và địa chỉ IP

4.3.4 Giao diện Iu BC

Giao diện này kết nối RNC với miền quảng bá của CN, có tên là trung tâm quảng bá cell Được dùng để định nghĩa thông tin quảng bá cell được phát tới người dùng di động qua dịch vụ quảng bá cell