nghiên cứu cấu trúc mạng GPRS trên nền mạng thông tin di động GMS thế hệ thứ hai

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông nghiên cứu cấu trúc mạng GPRS trên nền mạng thông tin di động GMS thế hệ thứ hai

lời mở đầu

Hiện nay trên thế giới mọi mặt của đời sống xã hội đều phát triển, khôngnhững về kinh tế, khoa học tự nhiên mà còn rất nhiều lĩnh vực khác Ngànhthông tin liên lạc đợc coi là ngành mũi nhọn cần phải đi trớc một bớc, làm cơ sởcho các ngành khác phát triển Nhu cầu trao đổi, cập nhật thông tin của con ngờiở mọi nơi mọi lúc ngày càng cao Thông tin di động ra đời và phát triển đã trởthành một loại hình dịch vụ, phơng tiện thông tin phổ biến, đáp ứng nhu cầucủa cuộc sống hiện đại Các hệ thống thông tin di động đang phát triển rấtnhanh cả về qui mô, dung lợng và đặc biệt là các loại hình dịch vụ mới để đápứng tốt hơn nhu cầu của ngời sử dụng.

ở Việt Nam, mạng di động số thế hệ thứ hai (2G), sử dụng công nghệGSM, đang đợc phát triển rộng khắp các tỉnh và thành phố GSM với tốc độ 9,6kbps chỉ áp dụng đợc các dịch vụ thoại và dịch vụ bản tin ngắn, hạn chế nhiềudịch vụ phi thoại yêu cầu tốc độ cao nh hình ảnh, văn bản và đặc biệt là nhu cầutruy nhập Internet Trong khi trên thế giới, rất nhiều nớc đã tiến lên thế hệ điệnthoại di động thứ ba (3G) Thế hệ thứ ba này có tốc độ truyền dẫn cao hơn, cungcấp đợc nhiều loại hình dịch vụ, đáp ứng đợc nhu cầu hiện nay.

Việc xây dựng, phát triển mạng điện thoại di động thứ ba ở Việt Nam hiệnnay là thực sự cần thiết Nhng nếu đầu t thẳng lên 3G thì cần lợng vốn bỏ ra rấtlớn mà lại lãng phí cơ sở hạ tầng mạng di động sẵn có Vì vậy, để tiến tới thế hệthông tin di động thứ ba này cần qua một bớc trung gian gọi là thế hệ thông tindi động 2,5G; đó là dịch vụ thông tin di động vô tuyến chuyển mạch gói GPRS(General Packet Radio Service) Triển khai GPRS cho phép vẫn tận dụng cơ sởmạng GSM sẵn có, đồng thời có thể đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ lớn,từng bớc xây dựng mạng điện thoại thế hệ thứ ba Đó là lý do tôi chọn đề tài

“Nghiên cứu cấu trúc mạng GPRS trên nền mạng thông tin di động GMS thếhệ thứ hai ” cho đồ án tốt nghiệp của mình Hy vọng đồ án này sẽ có thể ápdụng trực tiếp vào việc phát triển mạng điện thoại di động của Việt Nam trongđiều kiện hiện tại.

Đề tài gồm các nội dung:

- Chơng I: Tổng quan hệ thống thông tin di động GSM.- Chơng II: Các đặc điểm cấu trúc chức năng mạng GPRS.- Chơng III: Các thủ tục trao đổi báo hiệu trong mạng GPRS.- Chơng IV: Triển khai GPRS trên nền mạng GSM ở Việt Nam.

Qua thời gian học tập, nghiên cứu; đợc sự hớng dẫn tận tình của các thầycô giáo trờng Đại học Bách khoa Hà nội Bản đồ án tốt nghiệp đến nay đã hoànthành Do khả năng và thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếusót Rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp đểem có thể vững vàng thêm kiến thức khi ra trờng.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử – Viễnthông, bạn bè đồng nghiệp, đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầygiáo TS Phạm Văn Bình - bộ môn Mạch và xử lý tín hiệu, ngời đã tận tình chỉbảo hớng dẫn em hoàn thành đồ án này.

Hà Nội, ngày tháng năm 2005

Sinh viên thực hiện

Chơng I: tổng quan hệ thốngthông tin di động gsm

I Giới thiệu về mạng thông tin di động GSM1- Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM)

GSM trớc đây đợc biết nh Groupe Spéciale Mobile (nhóm di động đặc biệt),là nhóm đã phát triển nó, đợc thiết kế từ sự bắt đầu nh một dịch vụ tế bào sốquốc tế Giao tiếp vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA ý định ban

đầu là các thuê bao GSM có khả năng di chuyển qua các biên giới quốc gia sẽnhận đợc các dịch vụ di động và các tính năng đi theo cùng với họ

Kiểu GSM của Châu Âu hiện nay hoạt động ở tần số 900 MHz cũng nh tầnsố 1800 MHz ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng cho dịch vụ PCS 1900 tại vùng đôngbắc California và Nevada Do PCS 1900 sử dụng tần số 1900 MHz, nên các điệnthoại không có khả năng kết nối hoạt động với điện thoại GSM hoạt động trongcác mạng ở tần số 900 MHz hay 1800 MHz Tuy nhiên vấn đề này có thể khắcphục đợc với các máy điện thoại đa băng hoạt động trong nhiều tần số

Vào đầu năm 1980, thị trờng hệ thống điện thoại tế bào tơng tự đã phát triểnrất nhanh ở Châu Âu Mỗi một nớc đã phát triển một hệ thống tế bào độc lập vớicác hệ thống của các nớc khác Sự phát triển không đợc hợp tác của các hệthống thông tin di động quốc gia có nghĩa là sẽ không có khả năng cho thuê baosử dụng cùng một máy di động cầm tay khi di chuyển trong Châu Âu Khôngchỉ các thiết bị di động bị hạn chế khai thác trong biên giới quốc gia, mà còn cómột thị trờng rất hạn chế đối với mỗi kiểu thiết bị, vì thế tiết kiệm chi phí có thểkhông thực hiện đợc Ngoài một thị trờng trong nớc đầy đủ với các mẫu chung,có thể không có một nhà chế tạo nào cạnh tranh đợc trên thị trờng thế giới Hơnnữa, chính phủ các nớc nhận thức rõ là các hệ thống thông tin không tơng thíchcó thể cản trở tiến trình để đạt đợc một tầm nhìn chiến lợc của họ về một ChâuÂu với nền kinh tế thống nhất.

Với những cân nhắc nêu trên, hội nghị điện thoại điện báo gồm 26 quốc giaChâu Âu (CEPT) đã thành lập một nhóm nghiên cứu gọi là Groupe SpécialeMobile vào năm 1982 để nghiên cứu và phát triển một hệ thống thông tin liênChâu Âu Đến năm 1986 tình hình trở nên sáng sủa vì một số mạng tế bào tơngtự hiện tại có thể sử dụng hết dung lợng vào năm 1990 CEPT khuyến nghị rằnghai khối tần số trong băng tần 900 MHz đợc dự trữ cho hệ thống mới Tiêuchuẩn GSM chỉ rõ các băng tần từ 890 đến 915MHz cho băng thu và từ 935 đến960 MHz cho băng phát với mỗi băng đợc chia thành các kênh 200 MHz

Hệ thống thông tin di động đợc CEPT đa ra đã đáp ứng đợc các tiêu chuẩnnh sau:

- Cung cấp âm thoại chất lợng cao.

- Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế.

- Hỗ trợ các thiết bị đầu cuối cầm tay.

- Hỗ trợ một loạt các dịch vụ và các thiết bị mới.- Cung cấp hiệu quả phổ tần số.

- Cung cấp khả năng tơng thích với ISDN.- Cung cấp chi phí dịch vụ và đầu cuối thấp.

Vào năm 1989, việc phát triển các đặc tính kỹ thuật của GSM đã đợc chuyểntừ CEPT đến Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) ETSI đợc thành lậpvào năm 1988 để thiết lập các tiêu chuẩn viễn thông cho Châu Âu và hợp tác vớicác tổ chức tiêu chuẩn khác, các lĩnh vực liên quan đến truyền hình và côngnghệ thông tin văn phòng

ESTI đã ấn bản các đặc tính kỹ thuật giai đoạn 1 của GSM vào năm 1990.Dịch vụ thơng mại đã bắt đầu vào giữa năm 1991 Đến năm 1993 đã có 36 mạngGSM tại 22 nớc, và thêm 25 nớc đã lựa chọn hoặc bắt đầu GSM Từ đó, GSM đãđợc chấp nhận ở Nam Phi, úc, và rất nhiều nớc vùng Trung Đông và ViễnĐông Tại Bắc Mỹ, GSM đợc dùng để thực hiện PCS Đến cuối năm 1998 đã có323 mạng GSM ở 118 nớc phục vụ cho 138 triệu thuê bao Hiện nay, hệ thốngGSM đợc gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System forMobilephone).

Mạng thông tin di động GSM là mạng thông tin di động số Cellular gồmnhiều ô (cell) Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng, có hình dạng (trên lý thuyết) làmột tổ ong hình lục giác Trong mỗi cell có một đài vô tuyến gốc BTS (BaseTransceiver Station) liên lạc với tất cả các trạm di động MS (Mobile Station) cómặt trong cell Khi MS di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của cell, nó phải đợcchuyển giao sang làm việc với BTS của cell khác.

Đặc điểm của hệ thống thông tin di động Cellular là việc sử dụng lại tần sốvà diện tích của mỗi cell khá nhỏ Mỗi cell sử dụng một nhóm tần số kênh vôtuyến Các chữ cái A, B, C, vừa là tên của cell, vừa biểu thị một nhóm xác địnhcác tần số vô tuyến đợc sử dụng trong cell đó Nhóm tần số đợc sử dụng nhiềulần cho các cell với khoảng cách đủ lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫnnhau không đáng kể.

Thông thờng, một cuộc gọi di động không thể kết thúc trong một cell nên hệthống thông tin di động cellular phải có khả năng điều khiển và chuyển giao(handover) cuộc gọi từ cell này sang cell lân cận mà cuộc gọi đợc chuyển giaokhông bị gián đoạn.

2 – Các chức năng của hệ thống GSM

Các đặc tính chủ yếu của hệ thống GSM nh sau:

 Có thể phục vụ đợc một số lớn các dịch vụ và tiện ích cho thuê bao cả trongthông tin thoại và truyền số liệu

* Đối với thoại có thể có các dịch vụ:- Chuyển hớng cuộc gọi vô điều kiện

- Chuyển hớng cuộc gọi khi thuê bao di động bận - Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế

- Giữ cuộc gọi- Thông báo cớc phí- Nhận dạng số chủ gọi * Đối với dịch vụ số liệu:

 Sử dụng băng tần 900 MHz với hiệu quả cao bởi sự kết hợp giữa hai phơngpháp TDMA, FDMA.

 Giải quyết sự hạn chế dung lợng Thực chất dung lợng sẽ tăng lên nhờ việcsử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật chia ô nhỏ, do vậy số thuê bao đ ợc phụcvụ sẽ tăng lên.

 Tính linh hoạt cao nhờ sử dụng các loại máy thông tin di động khác nhau:máy cầm tay, máy xách tay, máy đặt trên ô tô

 Tính bảo mật: Mạng kiểm tra sự hợp lệ của mỗi thuê bao GSM bởi thẻ đăngký SIM (Subcriber Identity Module) Thẻ SIM sử dụng mật khẩu PIN(Personal Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng của ngời sử dụng hợppháp SIM cho phép ngời sử dụng sử dụng nhiều dịch vụ và cho phép ngờidùng truy nhập vào các PLMN (Public Land Mobile Network) khác nhau.Đồng thời trong hệ thống GSM còn có trung tâm nhận thực AuC, trung tâmnày cung cấp mã bảo mật chống nghe trộm cho từng đờng vô tuyến và thayđổi cho từng thuê bao.

3- Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động GSM:

9 6 0 M h z

B ă n g t ầ n l ê n( T ừ M S - B T S )

B ă n g t ầ n x u ố n g ( T ừ B T S - M S )

8 8 2 M h z

9 1 5 M h z9 2 7 M h z

9 6 0 M h z

1 7 1 0 M h z

1 7 8 5 M h z1 8 0 5 M h z

1 8 8 0 M h z

G S Mm ởr ộ n g

- Băng tần xuống (Downlink band): 935 – 960 MHz cho các kênh vôtuyến từ trạm thu phát gốc đến trạm di động.

Mỗi băng rộng 25MHz, đợc chia thành 124 sóng mang Các sóng mang cạnhnhau cách nhau 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt, một cho đờnglên, một cho đờng xuống Các kênh này đợc gọi là kênh song công Khoảngcách giữa hai tần số là không đổi và bằng 45 MHz, đợc gọi là khoảng cách songcông Kênh vô tuyến này mang 8 khe thời gian mà mỗi khe thời gian là mộtkênh vật lý để trao đổi thông tin giữa trạm thu phát và trạm di động Ngoài băngtần cơ sở nh trên còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần DCS (DigitalCellular System).

4- Phơng pháp truy nhập trong thông tin di động

ở giao diện vô tuyến, MS và BTS liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến Đểtài nguyên tần số có hạn có thể phục vụ càng nhiều thuê bao di động, ngoàiviệc sử dụng lại tần số, số kênh vô tuyến đợc dùng theo kiểu trung kế Hệ thốngtrung kế vô tuyến là hệ thống vô tuyến có số kênh sẵn sàng phục vụ ít hơn sốngời dùng khả dĩ Phơng thức để sử dụng chung các kênh gọi là phơng pháp đatruy nhập: ngời dùng khi có nhu cầu thì đợc đảm bảo về sự truy nhập vào trungkế.

 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple

Access): phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau ngời dùng đợc

cấp phát một kênh trong tập hợp các kênh trong lĩnh vực tần số Phổ tần số đ ợcchia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ Mỗi dải tần đ ợcgán cho một kênh liên lạc, N dải dành cho liên lạc hớng lên, N dải còn lại choliên lạc hớng xuống.

 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple

Access): khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến đợc ấn định Các

thuê bao khác nhau dùng chung 1 kênh nhờ cài xen thời gian Mỗi thuê bao đợccấp một khe trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe.

 Đa truy nhập theo mã CDMA (Code Division Multiple Access): Là phơng

pháp trải phổ tín hiệu, thực hiện là gán cho mỗi MS một mã riêng biệt cho phépnhiều MS cùng thu, phát độc lập trên mặt băng tần nên tăng dung lợng cho hệ

thống Hiện tại công nghệ CDMA đang đợc triển khai tại một số quốc gia TạiViệt Nam hiện có mạng thông tin di động S-Fone của công ty Cổ phần viễnthông Sài Gòn (SPT) đang sử dụng công nghệ này.

Ngoài ra còn có phơng pháp truy nhập theo không gian SDMA Mạng GSMsử dụng phơng pháp TDMA kết hợp FDMA.

II Cấu trúc hệ thống thông tin di động GSM1- Cấu trúc hệ thống

Hệ thống thông tin di động gồm nhiều phần tử chức năng Mạng GSM đợcphân chia thành các phân hệ:

 Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem) Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)

 Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS (Operation and Support System) Máy di động MS (Mobile Station)

H L RV L R

N m c

O m CP L M N

P S T NI S D N

M eS i mM S

 Phân hệ chuyển mạch NSS bao gồm các khối chức năng:

- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile SwitchingCenter)

- Bộ ghi định vị thờng trú HLR (Home Location Register)- Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register)- Trung tâm nhận thực AuC (Authentication Center)

- Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identification Register)- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng GMSC (Gateway

Mobile Switching Center).

 Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm các khối chức năng:

- Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Center)- Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS bao gồm các khối chức năng:

- Trung tâm quản lý mạng NMC (Network ManagementCenter)

- Trung tâm quản lý và bảo dỡng OMC (Operation &Maintenance Center)

 Trạm di động MS:

- Thiết bị di động ME (Mobile Equipment)

- Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module)

2- Chức năng các phần tử trong mạng GSM2.1- Phân hệ chuyển mạch NSS

Phân hệ chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSMcũng nh các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của

thuê bao Chức năng chính của hệ thống chuyển mạch là quản lý thông tin giữanhững ngời sử dụng mạng GSM và các mạng khác.

 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC

MSC là một tổng đài thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch và báohiệu của MS nằm trong vùng địa lý do MSC quản lý MSC khác với một tổngđài cố định là nó phải điều phối cung cấp các tài nguyên vô tuyến cho thuê baovà MSC phải thực hiện thêm ít nhất hai thủ tục:

- Thủ tục đăng ký- Thủ tục chuyển giao

MSC một mặt giao tiếp với BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài MSClàm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài đợc gọi là MSC cổng (GMSC), có chứcnăng tơng tác IWF (InterWorking Function) để thích ứng các đặc điểm truyềndẫn của GMS và các mạng ngoài Phân hệ chuyển mạch giao tiếp với mạngngoài để sử dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải sốliệu của ngời sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM.

MSC thờng là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số bộ điều khiểntrạm gốc BSC

 Bộ ghi định vị thờng trú HLR

HLR là một cơ sở dữ liệu quan trọng trong mạng có chức năng quản lý thuêbao Một PLMN có thể có một hoặc nhiều HLR phụ thuộc vào lợng thuê bao.HLR lu hai loại số gán cho mỗi thuê bao di động, đó là:

+ MSISDN: số danh bạ (số thuê bao)

Cấu trúc:

MSISDN = CC + NDC + SNCC: Mã quốc gia (Việt nam: 84)

NDC: Mã mạng (Vinaphone: 91, Mobiphone: 90)SN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số)

VD: 84.91.2037878

+ IMSI: Số nhận dạng thuê bao dùng để báo hiệu trong mạng

Cấu trúc:

IMSI = MCC + MNC + MSINMCC: Mã quốc gia (Việt nam: 452)

MNC: Mã mạng (Vinaphone: 02, Mobiphone: 01)MSIN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số)

VD: 84.91.2037878 - 452.02.2037878

Nh vậy, với một số MSISDN sẽ tơng ứng với một số IMSI và chỉ tồn tại mộtsố IMSI duy nhất trong toàn hệ thống GSM IMSI đợc sử dụng để MS truy nhậpvào cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu chứa các thông tin sau:

- Thông tin thuê bao dịch vụ thoại và phi thoại mang (bearer service).- Giới hạn dịch vụ (giới hạn roaming)

- Các dịch vụ hỗ trợ HLR chứa các thông số của dịch vụ này; tuy nhiênnó còn có thể đợc lu trong card thuê bao.

Nh vậy, HLR không có khả năng chuyển mạch nhng có khả năng quản lýhàng ngàn thuê bao Khi mạng có thêm một thuê bao mới, thì các thông tin vềthuê bao sẽ đợc đăng ký trong HLR.

Các thông tin cần để thiết lập và nhận một cuộc gọi của MS đợc lu trong cơsở dữ liệu của VLR Đối với một số dịch vụ hỗ trợ, VLR có thể truy vấn cácthông tin từ HLR: IMSI (nhận dạng máy di động quốc tế), MSISDN (ISDN củamáy di động), số chuyển vùng của thuê bao MS (MSRN), số nhận dạng thuê baodi động tạm thời (TMSI), số nhận dạng thuê bao di động nội bộ (LMSI) và vùngđịnh vị nơi đăng ký MS VLR cũng chứa các thông số gán cho mỗi MS và đợcnhận từ VLR.

 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR

Thực thể chức năng này chứa một hoặc nhiều cơ sở dữ liệu lu trữ các IMEI(số nhận dạng thiết bị) sử dụng trong hệ thống GSM EIR đợc nối với MSC quamột đờng báo hiệu, nhờ vậy MSC có thể kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị.

 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ cổng GMSC

Để thiết lập một cuộc gọi phải định tuyến đến tổng đài mà không cần biết vịtrí hiện thời của thuê bao GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuêbao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiệnthời GMSC có giao diện báo hiệu số 7 để có thể tơng tác với các phần tử kháccủa hệ thống chuyển mạch.

2.2 - Phân hệ trạm gốc BSS

BSS thực hiện kết nối các MS với các tổng đài, do đó liên kết ngời sử dụngmáy di động với những ngời sử dụng dịch vụ viễn thông khác BSS cũng phải đ-ợc điều khiển nên đợc kết nối với OSS.

 Trạm thu phát gốc BTS

BTS giao diện với MS xử lý các tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Mộtbộ phận quan trọng của BTS là TRAU (khối chuyển đổi mã và thích ứng tốcđộ).

 Bộ điều khiển trạm gốc BSC

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điềukhiển từ BTS và MS nh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyểngiao Một BSC có thể quản lý nhiều BTS Số lợng BTS mà BSC có thể quản lýphụ thuộc vào lu lợng của BTS.

- Giám sát các trạng thái các bộ phận của mạng

- Giám sát trung tâm bảo dỡng và khai thác OMC của các vùng và cung cấpthông tin đến các bộ phận OMC.

 Trung tâm quản lý và khai thác OMC

OMC cung cấp chức năng chính để điều khiển và giám sát các bộ phận trongmạng (các BTS, MSC, các cơ sở dữ liệu ).OMC có các chức năng: quản lý cảnhbáo, quản lý sự cố, quản lý chất lợng, quản lý cấu hình và quản lý bảo mật.

2.4 - Trạm di động MS

MS là thiết bị đầu cuối chứa các chức năng vô tuyến chung, xử lý giao diệnvô tuyến và cung cấp các giao diện với ngời dùng (màn hình, loa, bàn phím ).Một trạm di động gồm hai phần chính:

- ME (Mobile Equipment - thiết bị di động): là phần cứng đợc dùng để thuê

bao truy nhập vào mạng ME chứa kết cuối di động (MT) phụ thuộc vào ứngdụng và các dịch vụ, có thể kết hợp các nhóm chức năng thích ứng đầu cuối(TA) và thiết bị đầu cuối (TE) khác nhau.

- SIM (Subscriber Identity Module – modun nhận dạng thuê bao): gắn chặtvới ngời dùng trong vai trò một thuê bao duy nhất, có thể làm việc với nhiều MEkhác nhau SIM là một card điện tử thông minh đợc cắm vào ME để nhận dạngthuê bao và tin tức bảo vệ loại dịch vụ mà thuê bao đăng ký SIM có phần cứngvà phần mềm cần thiết với bộ nhớ có thể lu trữ thông tin Có hai loại thông tin làthông tin cố định và thông tin thay đổi:

+ Thông tin cố định:

* Số nhận dạng thuê bao MSISDN, IMSI Thuê bao sẽ đợc kiểm tra tính hợplệ trớc khi truy nhập vào mạng thông qua số nhận dạng IMSI đợc thực hiện bởitrung tâm nhận thực AuC.

* Mã khoá cá nhân Ki.

+ Thông tin thay đổi:

* Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI* Số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI

Một số TMSI sẽ tơng ứng với một IMSI đợc cấp phát tạm thời để tăng tínhbảo mật cho quá trình báo hiệu giữa MS và hệ thống TMSI sẽ thay đổi khi MScập nhật lại vị trí.

III Mạng báo hiệu và các khía cạnh mạng1 - Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM

Mạng thông tin di động GSM sử dụng hệ thống báo hiệu số 7 (báo hiệu kênhchung) để thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi Báo hiệu số 7 là mạng dữliệu chuyển mạch gói đợc thiết kế để trao đổi báo hiệu.

P L M NP S T N

B S S M A P( p a r t o f B S S A P )

A b i s

U mR 2

N a t i o n a lI S U P

chức năng này, BTS sẽ xử lý trao đổi các thông tin tới /từ MS.

d Cung cấp và giải phóng kênh lu lợng (TCH) để thiết lập, xoá và chuyểngiao BSC thực hiện các chức năng này và BTS xử lý các khối kênh liênquan.

e Nhận định hoàn thành việc chuyển giao BTS báo với BSC khi nó đã pháthiện có tín hiệu của MS trên kênh lu lợng mới.

f Điều khiển mã/giải mã BTS thực hiện chức năng kích hoạt và giải phóngviệc mã hoá theo yêu cầu của BSC.

g Điều khiển các mã thoại và thích ứng tốc độ của các kênh thông tin Thiếtbị thích ứng tốc độ mã hoá - TRAU thờng đợc đặt trong BSC nhng đợcđiều khiển bởi BTS xác định các kênh lu lợng.

h Kiểm tra chất lợng truyền dẫn và độ dài tín hiệu trong các kênh hớng lênđang hoạt động và ở chế độ idle (rỗi) Kiểm tra đợc thực hiện ở BTS và đ-ợc thông báo tới BSC.

i Giao diện vô tuyến cũng bao gồm các chức năng đợc tự động xử lý bởiBTS.

j Thông tin đồng bộ và số nhận dạng MS đợc gửi liên tục tới BTS.

k Chức năng điều khiển tần số đợc xử lý bởi BTS, các tín hiệu điều khiểnnày đợc gửi liên tục từ BTS.

Giao diện vô tuyến cũng có các chức năng: mã hoá kênh, ghép kênh, quản lýburst, TDMA và điều chế.

BTS, MS Giao thức này cũng đợc dùng để duy trì các khe thời gian trên cáckênh PCM giữa MSC và BSC.

Các giao thức giữa các trung tâm chuyển mạch di động MSC

Khi thực hiện chuyển giao giữa các MSC, MAP đợc sử dụng báo hiệuchuyển giao trong khi ISUP đợc sử dụng để thiết lập và xoá các kết nối.

Các giao thức giữa GMSC và MSC

ISUP đợc sử dụng giống nh trong PSTN/ISDN.

Các giao thức giữa MSC và HLR, VLR, AuC và EIR

MAP đợc sử dụng cho tất cả các báo hiệu Nó hỗ trợ đăng ký, báo hiệu cácsố roaming, nhận thực và nhận dạng thiết bị.

Các giao thức với các mạng ngoài

Sử dụng TUP, ISUP và các giao thức liên quan tới kênh.

2 Các giao diện trong hệ thống GSM

A bis: BSC – BTS Um (vô tuyến): MS-BTSA: BSC – MSC E: MSC – MSC

B: MSC – VLR F: MSC – EIRC: MSC – HLR G: VLR – VLRD: VLR – HLR H: HLR – AuC

3 - Các khía cạnh mạng

3.1 - Quản lý tài nguyên vô tuyến

Quản lý tài nguyên vô tuyến là một lớp chức năng trong quản lý mạng, đợcxem xét thông qua việc thiết lập một kênh truyền giữa MS và MSC Các phần tửchức năng chính là MS, BSS và MSC RR quản lý một phiên RR là thời gian màthiết bị di động ở một trạng thái xác định sử dụng các kênh vô tuyến Một phiênRR đợc khởi tạo từ MS thông qua một thủ tục truy nhập mạng hoặc cho cuộc gọiđi hoặc nhận bản tin nhắn Khi nào một kênh đợc cung cấp cho MS hay phân

kênh nhắn sẽ đợc xử lý trong lớp RR Hơn nữa, lớp RR cũng quản lý cả các đặctính vô tuyến nh điều khiển công suất, truyền nhận gián đoạn và định thời.

* Chuyển giao (Handover)

Trong mạng cellular, các kênh vô tuyến và cố định không đợc cấp phát lâudài cho một cuộc gọi Cuộc gọi sẽ đợc chuyển sang một kênh hoặc một cellkhác, đợc gọi là chuyển giao Việc kiểm tra và thực hiện chuyển giao tạo nênmột trong những chức năng cơ bản của lớp RR Có 4 loại chuyển giao khácnhau trong hệ thống GSM, đợc thực hiện giữa:

 Các kênh (các khe thời gian) trong cùng một cell Các cell (BTS) do một BSC điều khiển

 Các cell dới sự điều khiển của nhiều BSC khác nhau nhng thuộc cùng mộtMSC

 Các cell của các MSC khác nhau

Hai loại chuyển giao đầu tiên gọi là chuyển giao cục bộ Để tiết kiệm băngthông báo hiệu, việc chuyển giao chỉ do BSC mà không cần MSC quản lý và chỉthông báo cho MSC khi hoàn thành chuyển giao Hai loại chuyển giao còn lại làchuyển giao ngoài do các MSC quản lý.

Chuyển giao có thể đợc khởi tạo từ MS hoặc từ MSC Trong khi các khe thờigian ở trạng thái chờ, MS quét kênh điều khiển quảng bá (BCCH) trong 16 celllân cận, chọn ra 6 cell tốt nhất để phục vụ chuyển giao dựa trên độ dài tín hiệunhận đợc Thông tin này đợc truyền tới BSC và MSC ít nhất 1 giây một lần.

 Chuyển giao trong cùng một BSC:

ở trờng hợp này BSC phải thiết lập một đờng nối đến BTS mới, dành riêngmột TCH của mình và ra lệnh cho MS phải chuyển đến 1 tần số mới đồng thờicũng chỉ ra một TCH mới Tình huống này không đòi hỏi thông tin gì đến phầncòn lại của mạng Sau khi chuyển giao MS phải nhận đợc các thông tin mới vàcác ô lân cận Nếu nh việc thay đổi đến BTS mới cũng là thay đổi vùng định vịthì MS sẽ thông báo cho mạng về LAI của mình và yêu cầu cập nhật vị trí.

 Chuyển giao giữa hai BSC khác nhau nhng cùng một MSC/VLR:

Trờng hợp này cho thấy sự chuyển giao trong cùng một vùng phục vụ nhnggiữa hai BSC khác nhau Mạng can thiệp nhiều hơn khi quyết định chuyển giao.BSC phải yêu cầu chuyển giao từ MSC/VLR Sau đó có một đờng nối thông mới(MSC/VLR  BSC mới  BSC mới) phải đợc thiết lập nếu có TCH rỗi TCHnày phải đợc dành cho chuyển giao Sau đó khi MS nhận đợc lệnh chuyển đếntần số mới và TCH mới Ngoài ra, sau khi chuyển giao MS đợc thông báo về cácô lân cận mới Nếu việc thay đổi BTS cùng với việc thay đổi vùng định vị MS sẽgửi đi yêu cầu cập nhật vị trí trong quá trình cuộc gọi hay sau cuộc gọi.

 Chuyển giao giữa hai vùng phục vụ MSC/VLR:

Đây là trờng hợp chuyển giao phức tạp nhất nhiều tín hiệu đợc trao đổi trớckhi thực hiện chuyển giao

Ta sẽ xét 2 MSC/VLR, gọi MSC/VLR cũ (tham gia cuộc gọi trớc khichuyển giao) là tổng đài phục vụ và MSC/VLR mới là tổng đài đích Tổng đàicũ sẽ gửi yêu cầu chuyển giao đến tổng đài đích Sau đó, tổng đài đích sẽ đảmnhận việc chuẩn bị nối ghép tới BTS mới Sau khi thiết lập đờng nối giữa haitổng đài cũ sẽ gửi đi lệnh chuyển giao đến MS

3.2 - Quản lý di động

Quản lý di động cũng là một lớp chức năng, là lớp trên lớp RR, xử lý cácchức năng di động của thuê bao và thực hiện nhận thực và bảo mật Quản lý vịtrí liên quan tới các thủ tục cho phép hệ thống biết vị trí hiện tại của thiết bị diđộng để thực hiện định tuyến các cuộc gọi.

* Cập nhật vị trí

MS đợc thông báo có một cuộc gọi đến bởi một bản tin ngắn đợc gửi quakênh PAGCH của cell Một phần của kênh đợc sử dụng để nhắn trong mỗi celltrong mạng, một phần đợc dùng để MS truyền các bản tin cập nhật vị trí ở cấpđộ cell tới mạng Do đó các bản tin nhắn đợc gửi chính xác tới một cell nhng sẽrất lãng phí băng thông do số lợng các bản tin cập nhật vị trí lớn Một giải phápđợc thực hiện trong GSM là nhóm các cell thành các vùng định vị LA (LocationArea) Chỉ khi LA thay đổi, MS mới gửi các bản tin cập nhật và các MS đợcnhắn trong các cell của vùng định vị.

Các thủ tục cập nhật và định tuyến cuộc gọi thực hiện trong MSC, VLR vàHLR Khi MS vào một LA mới hoặc PLMN của một nhà vận hành khác, nóphải đăng ký với mạng để chỉ ra vị trí hiện tại của mình Thông thờng, bản tincập nhật vị trí đợc gửi tới MSC/VLR mới mà lu các thông tin về vùng định vị,sau đó gửi các thông tin này tới HLR của thuê bao Thông tin đợc gửi tới HLRlà địa chỉ SS7 của VLR mới, nó có thể là số định tuyến Nếu thuê bao đợc phépsử dụng dịch vụ, HLR gửi một tập các thông tin cần cho việc điều khiển cuộcgọi tới MSC/VLR mới và gửi một bản tin tới MSC/VLR cũ để xoá đăng ký cũ.

Để đảm bảo độ tin cậy, GSM thực hiện một thủ tục cập nhật vị trí định kỳ.Thủ tục này liên quan tới cập nhật vị trí là gán và tách IMSI (IMSIattach/detach) Thực hiện detach chỉ ra rằng mạng không thể đạt tới MS nữa vàkhông phải cấp phát các kênh và gửi bản tin nhắn Một Attach tơng tự nh cậpnhật vị trí thông báo cho mạng MS trở lại trạng thái hoạt động.

* Nhận thực và bảo mật

Vì tài nguyên vô tuyến có thể đợc truy nhập bởi bất kỳ ngời nào, nên việcnhận thực ngời sử dụng là thành phần rất quan trọng trong mạng di động Nhậnthực đợc thực hiện giữa SIM card trong MS và trung tâm nhận thực AuC Mỗithuê bao có một khoá bảo mật, đợc lu đồng thời trong SIM và AuC Trong khinhận thực AuC sẽ phát số ngẫu nhiên tới MS Cả MS và AuC sau đó sử dụng sốngẫu nhiên này cùng với mã bảo mật của thuê bao và thuật toán mã hoá để phátmột đáp ứng đợc ký hiệu (SRES) lại AuC Nếu số đợc gửi từ MS giống với số đ-ợc tính toán trong AuC, thuê bao sẽ đợc nhận thực.

Một cấp bảo mật khác đợc thực hiện trong MS, mỗi thiết bị GSM đợc nhậndạng bởi số IMEI và đợc nhận thực bởi số này.

3.3 – Quản lý truyền thông

Quản lý truyền thông (CM) là lớp trên cùng, phục vụ điều khiển cuộc gọi,quản lý dịch vụ hỗ trợ và quản lý dịch vị bản tin ngắn Mỗi chức năng đợc xemxét là một phân lớp trong lớp CM Các chức năng của một phân lớp bao gồmthiết lập, lựa chọn một dịch vụ và xoá một cuộc gọi.

* Định tuyến cuộc gọi

Không giống nh định tuyến một cuộc gọi trong mạng cố định mà thiết bị đợckết nối với bộ phận trung tâm, ngời sử dụng GSM có thể chuyển vùng quốc giavà quốc tế Số quay trực tiếp để đạt tới thuê bao di động đợc gọi là MSISDN, đ-ợc định nghĩa bởi kế hoạch đánh số E.164.

Một cuộc gọi kết cuối di động đợc gửi tới chức năng GMSC GMSC là mộtbộ chuyển mạch kết nối với HLR lấy các thông tin định tuyến Do đó nó có mộtbảng các MSISDN tới HLR tơng ứng Thông tin định tuyến đợc gửi lại GMSC làsố roaming di động (MSRN) Các MSRN liên quan tới kế hoạch đánh số vùngđịa lý, không đợc cung cấp cho thuê bao.

Thủ tục định tuyến thờng đợc sử dụng nhất bắt đầu với việc truy vấn HLRcủa thuê bao bị gọi để lấy MSRN HLR chỉ lu các địa chỉ SS7 VLR hiện tại củathuê bao mà không có MSRN HLR do đó phải truy vấn VLR hiện tại của thuêbao mà cung cấp tạm thời MSRN MSRN này đợc gửi lại HLR và GMSC, sauđó cuộc gọi đợc định tuyến tới MSC mới Tại MSC mới, IMSI tơng ứng MSRNđợc kiểm tra và thiết bị di động đợc nhắn trong vùng định vị hiện tại đang cómặt.

IV giao tiếp vô tuyến

Giao tiếp vô tuyến là tên gọi chung của đấu nối giữa MS và BTS Giao tiếp sửdụng khái niệm TDMA với một khung TDMA cho một tần số mang Mộtkhung, gồm 8 khe thời gian (Time Slot - TS).

1- Khái niệm về các kênh vô tuyến :

Mạng GSM/PLMN đợc dành 124 kênh sóng mang, sóng này ở dải tần:- Đờng lên ( MS - BTS ) : 890 - 915 MHz

- Đờng xuống ( BTS - MS ) : 935 - 960 MHz

Băng tần đờng lên 890,2 – 914,8 MHz và đờng xuống 935,2 – 959,8 MHz.Mỗi tần số sóng mang cách nhau 200 KHz, trên mỗi sóng mang thực hiện ghépkênh theo thời gian, thực hiện ghép khung TDMA ta có số kênh bằng: 124 x 8(TS) = 992 kênh.

1.1- Kênh vật lý:

Kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tảithông tin ở đờng vô tuyến của GSM Mỗi một kênh tần số vô tuyến đợc tổ chứcthành các khung TDMA dài 4,615 ms gồm có 8 khe thời gian (một khe dài 577s) Tại BTS, các khung TDMA ở các kênh tần số ở cả đờng lên và đờng xuốngđều đợc đồng bộ, mỗi MS đợc cấp một khe thời gian có cùng số thứ tự ở hớnglên hay hớng xuống để truyền bán song công.

Về mặt thời gian, các kênh vật lý ở một kênh tần số đợc tổ chức theo cấu trúckhung, đa khung, siêu đa khung, siêu siêu khung nh hình vẽ:

1 s i ê u s i ê u k h u n g = 2 0 4 8 s i ê u k h u n g = 2 7 1 5 6 4 8 k h u n g T D M A( 3 h 2 8 ’ 5 3 ” 7 6 0 m s )

Hình 4.1- Tổ chức khung, đa khung

1.2 - Kênh logic:

Các kênh logic mang các thông tin điều khiển, báo hiệu giữa BTS và MS.Các kênh logic này đợc đặt vào các kênh vật lý nói trên Có thể chia các kênhlogic này gồm hai loại kênh: Các kênh lu lợng (TCH) và các kênh báo hiệu điềukhiển.

 Kênh lu lợng (TCH - Traffic Channel):

Các kênh lu lợng này gồm hai loại đợc định nghĩa nh sau:

- Bm hay TCH toàn tốc (TCH/F - Traffic Channel at Fullrate): Kênh nàymang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 22,8 Kbps.

- Lm hay TCH bán tốc (TCH/H - Traffic Channel at Halfrate): Kênh nàymang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 11,4 Kbps.

 Kênh báo hiệu điều khiển :

Các kênh báo hiệu điều khiển đợc chia làm ba loại: Kênh điều khiểnquảng bá, kênh điều khiển chung, kênh dành riêng.

- Kênh điều khiển quảng bá (BCCH - Broadcast Common Control Channel):

Kênh phát quảng bá các thông tin chung về ô Các bản tin này gọi là thông tinhệ thống, BCCH chỉ sử dụng cho đờng xuống.

- Các kênh điều khiển chung (CCCH - Common Control Channel) gồm:

Kênh tìm gọi (PCH - Paging Channel) sử dụng cho đờng xuống để tìm gọimáy di động.

Kênh thâm nhập ngẫu nhiên (RACH - Random Access Channel) đợc MSdùng để yêu cầu cung cấp một kênh dành riêng SDCCH.

Kênh cho phép thâm nhập (AGCH - Access Grant Channel) chỉ đợc sử dụngở đờng xuống để chỉ định một kênh SDCCH cho MS.

- Các kênh điều khiển dành riêng (DCCH-Dedicated Control Channel) gồm:

Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình (SDCCH - Stand Alone DCCH)chỉ đợc sử dụng dành riêng cho báo hiệu với một MS.

Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH - Slow Associcated ControlChannel) liên kết với một TCH hay một SDCCH.

Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH - Fast Associcated ControlChannel) liên kết với một TCH FACCH làm việc ở chế độ lấy lén bằng cáchthay đổi lu lợng tiếng hay số liệu bằng báo hiệu.

Kênh quảng bá (CBCH - Cellular Broadcast Channel): Chỉ đợc dùng đờngxuống để phát quảng bá các bản tin ngắn (SMSCB) cho các tế bào CBCH sửdụng cùng kênh vật lý nh kênh SDCCH

2- Sắp xếp các kênh logic ở các kênh vật lý:

Xét một BTS với n sóng mang (truyền song công, mỗi sóng mang Co, ,Cn)có 8 khe thời gian Ts Với Co đờng xuống, TSo đợc dùng chỉ định sắp xếp cáckênh điều khiển

BCCH CCCH đờng xuống

Ghép các BCH và CCCH ở TS0:

- TsO ở sóng mang Co, đờng lên xuống chứa các kênh FCCH, SCH vàBCCH, nó đợc dùng để thâm nhập BCCH, FCCH, SCH, FCH, AGCH đờngxuống riêng RACH ở đờng lên

- Đối với TS1 đợc sử dụng để sắp xếp các kênh điều khiển dành riêng lên cáckênh vật lý, do tốc độ bit trong quá trình thiết lập cuộc gọi và đăng ký khá thấpnên có thể 8 SDCCH ở một TS1, sử dụng TS hiệu quả hơn.

51 khungTDMA liên tiếp

- Với sóng mang bổ xung, cả TS có thể sử dụng cho TCH.

V Các dịch vụ trong GSM

Các dịch vụ trong GSM thông thờng là dịch vụ chuyển mạch kênh Giaodiện vô tuyến sau khi đã thực hiện sửa sai là 12 Kbps (hoặc 13 Kbps cho thoại).Tốc độ tối đa cho ngời sử dụng là 9,6 Kbps giữa MS và MSC Trong nền tảngđó, GSM có các nhóm dịch vụ sau:

1 Dịch vụ thoại:

Là dịch vụ quan trọng nhất của GSM Nó cho phép các cuộc gọi hai hớngdiễn ra giữa ngời sử dụng GSM với thuê bao bất kỳ ở một mạng điện thoại nóichung nào

Dịch vụ cuộc gọi khẩn là một loại dịch vụ khác bắt nguồn từ dịch vụ thoại.Nó cho phép ngời dùng có thể liên lạc với các dịch vụ khẩn cấp nh cảnh sát haycứu hoả mà có thể có hay không SIM Card trong máy di động.

Một dịch vụ khác nữa là VMS, cho phép các bản tin thoại có thể đợc lu trữrồi lấy ra ở thời điểm bất kỳ.

2 Dịch vụ số liệu:

GSM đợc thiết kế để đa ra rất nhiều dịch vụ số liệu Các dịch vụ số liệu đợcphân biệt với nhau bởi ngời sử dụng phơng tiện (ngời sử dụng điện thoại PSTN,ISDN hoặc các mạng đặc biệt ), bởi bản chất các luồng thông tin đầu cuối (dữ

liệu thô, Fax, Videotex, Teletex ), bởi phơng tiện truyền dẫn (gói hay mạch ,đồng bộ hay không đồng bộ ) và bởi bản chất thiết bị đầu cuối

Các dịch vụ này cha thực sự thích hợp với môi trờng di động Một trong cácvấn đề đó là do yêu cầu thiết bị đầu cuối khá cồng kềnh, chỉ phù hợp với mụcđích bán cố định hoặc thiết bị đặt trên ô tô

3 Dịch vụ bản tin ngắn:

Dịch vụ bản tin ngắn khá phù hợp với môi trờng di động Các bản tin ngắnđộ dài vài octet có thể đợc tiếp nhận bằng thiết bị đầu cuối rất nhỏ.

Có hai loại dịch vụ bản tin ngắn:

- Dịch vụ bản tin ngắn truyền điểm - điểm (giữa hai thuê bao) Loại này cũngchia làm hai loại:

+ Dịch vụ bản tin ngắn kết cuối di động, điểm - điểm (SMS - MO/PP):cho phép ngời sử dụng GSM nhận các bản tin ngắn.

+ Dịch vụ bản tin ngắn khởi đầu từ Mobile, điểm - điểm (SMS MI/PP):cho phép ngời sử dụng GSM gửi bản tin đến ngời sử dụng GSM khác.

- Dịch vụ bản tin ngắn phát quảng bá: cho phép bản tin ngắn gửi đến máy diđộng trong một vùng địa lý nhất định.

4 Các dịch vụ phụ:

Các dịch vụ sửa đổi và làm phong phú thêm các dịch vụ cơ bản, chủ yếu chophép ngời sử dụng lựa chọn cuộc gọi đến và đi sẽ đợc mạng xử lý nh thế nàohoặc cung cấp cho ngời sử dụng các thông tin cho phép sử dụng dịch vụ hiệuquả hơn.

Các dịch vụ thờng là:

- Chặn hớng cuộc gọi (CB).- Giữ cuộc gọi (CH).

- Chuyển cuộc gọi (CF).

- Hiển thị số máy chủ gọi (CLIP).- Cấm hiển thị số máy chủ gọi (CLIR).

- Đợi cuộc gọi (CW).- Tính cớc cho thuê bao - Hội nghị (MPTY).- Nhóm thuê (CUG)

- Cho phép thuê bao chuyển vùng.- Cho phép thuê bao chuyển mạng.

VI kết luận

Chơng I đã giới thiệu tổng quan về mạng thông tin di động GSM: đặc điểm,kiến trúc logic và các thủ tục trao đổi báo hiệu giữa các phần tử trong mạng.GSM là thế hệ di động thứ hai có tốc độ tối đa là 9,6 kbps, dựa trên cơ sở kỹthuật chuyển mạch kênh Với tốc độ nh vậy chỉ áp dụng đợc các dịch vụ thoạivà dịch vụ bản tin ngắn (SMS), không thể áp dụng với các dịch vụ phi thoại yêucầu tốc độ cao

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về tốc độ, chất lợng vàcác loại hình dịch vụ, thế hệ thông tin di động thứ ba (3G) ra đời nhằm đáp ứngnhững gì mà thế hệ thông tin di động thứ hai cha thực hiện đợc Một trongnhững bớc tiến để từ GSM lên 3G là thế hệ di động thứ 2,5G (GPRS) GPRS làmạng di động đợc triển khai trên nền mạng GSM nhng có tốc độ cao hơn do đócó nhiều dịch vụ hơn Chơng II và III sẽ đề cập tổng quan về mạng GPRS.

Chơng II: các đặc điểm cấu trúcchức năng mạng GPrs

I Giới thiệu

Cùng với dịch vụ thoại truyền thống đợc đa vào khai thác trên mạng GSMđầu những năm 80, trong thời gian từ đó đến nay, các nhà khai thác cũng nh ng-ời sử dụng đều nhận thấy các dịch vụ chuyển mạch kênh hiện nay trên thực tếkhông hoàn toàn phù hợp với một số những ứng dụng Các dịch vụ số liệu đã rađời và từng bớc đa ra áp dụng cho hệ thống GSM Đó là hai dịch vụ:

- Dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD.- Dịch vụ số liệu chuyển mạch gói GPRS.

Dịch vụ HSCSD truyền số liệu vẫn dựa trên nguyên tắc chuyển mạch kênhcủa hệ thống GSM hiện nay, chỉ nâng cấp thêm một số phần mềm mới và hoàntoàn không có thay đổi lớn nào về thiết bị phần cứng.

Dịch vụ GPRS ra đời dựa trên nền mạng GSM nhng cơ chế truyền trongmạng dựa trên nguyên tắc chuyển mạch gói, phù hợp với các ứng dụng trong đólu lợng truyền đi dới dạng burst.

Sau đây ta chỉ nghiên cứu về dịch vụ chuyển mạch gói GPRS.

1 GPRS là gì?

GPRS (General Packet Radio Service) là một chuẩn dữ liệu gói trong hệthống GSM do uỷ ban truyền thông Châu Âu (ETSI) đa ra GPRS cung cấp mộtnguyên tắc truyền dần các gói tin trong truyền thông vô tuyến giữa các thiết bịdi động của GSM với các mạng chuyển mạch gói khác GPRS đợc triển khai

trên nền mạng GSM là mạng chuyển mạch kênh Chuyển mạch gói cắt dữ liệuthành các gói tin rồi truyền độc lập đến ngời sử dụng GPRS đợc hình thành theohai phase và ta sẽ đề cập tới mạng GPRS phase 2.

Phase 1 (giai đoạn 1) bao gồm:

- Các dịch vụ điểm - điểm- Hạ tầng mạng GPRS- Giao diện vô tuyến- Quản lý di động- Bảo mật

- Chất lợng dịch vụ QoS

- Dịch vụ SMS (dịch vụ bản tin ngắn)

- Các nút hỗ trợ GPRS và các mạng bạckbone GPRS.

Phase 2 (giai đoạn 2) bao gồm:

- Các dịch vụ điểm - đa điểm- Các dịch vụ hỗ trợ.

Bằng cách thêm chức năng GPRS vào mạng PLMN, các thuê bao có thể sửdụng hiệu quả các tài nguyên vô tuyến để truy nhập trực tiếp vào các mạng côngcộng dựa trên giao thức Internet (IP, X.25) Ngời sử dụng dịch vụ GPRS đăngký vào một APN (tên một điểm truy nhập) và đợc cấp một địa chỉ giao thức tiêuchuẩn (IP, X.25) Thiết bị di động của GPRS có thể dùng từ một đến 8 kênh trêngiao diện không gian tuỳ thuộc vào kiểu thiết bị MS GPRS, các kênh này đợccấp phát động cho MS khi tiến hành thu phát các gói tin Trong mạng GPRS,các kênh đờng lên và đờng xuống đợc phục vụ tách riêng nên MS có thể sử dụngđợc nhiều khe thời gian đồng thời Do đó dung lợng đờng lên và đờng xuống cóthể thay đổi khác nhau Việc ấn định nguồn kênh trong mạng GPRS linh hoạttuỳ theo nhu cầu sử dụng và khả năng cho phép của nguồn kênh Các gói tin có

thể đợc gửi trên các khoảng thời gian rỗi giữa hai lần hội thoại Mạng GPRScũng hỗ trợ dịch vụ bản tin ngắn SMS và các truy nhập ngầm định.

M S

W o r k s t a ti o n

X 2 5 P a c k e t D a t aN e t w o r k

G S M N e t w o r k w i t hG P R S c a p a b i l i t y

I n t e r n e t

H ì n h I I 1 - M ạ n g G P R S

2 Các đặc điểm của mạng GPRS

* Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn

Tốc độ của GPRS có giới hạn từ 14,4 kbps (sử dụng một khe thời gian) đến115 kbps (sử dụng tổng hợp các khe thời gian) Tuy nhiên tốc độ cực đại theo lýthuyết có thể đạt đợc là 171,2 kbps khi sử dụng đồng thời 8 khe thời gian chomột thiết bị di động Tốc độ này lớn gấp ba lần tốc độ truyền dữ liệu qua cácmạng cố định và mời lần so với các mạng GSM hiện nay Bằng cách gán chứcnăng GPRS cho phép thông tin đợc truyền nhanh hơn, hiệu quả hơn, cớc phí sửdụng dịch vụ GPRS sẽ ít hơn Nhng trung bình tốc độ chỉ khoảng 56 kbps, phụthuộc vào việc cấp phát tài nguyên cho từng thuê bao Tốc độ dữ liệu cao hơncho phép thuê bao sử dụng thêm nhiều dịch vụ.

* Luôn luôn kết nối

Không giống nh các dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh, truy nhập mạngGPRS không cần thủ tục thiết lập kết nối mạng trớc khi gửi và nhận dữ liệu Đặctính này cho phép dữ liệu đợc gửi và nhận ngay khi có nhu cầu.

Kiến trúc Publich/Subcriber là một mô hình ứng dụng hoàn hảo cho môi ờng GPRS, cho phép các ứng dụng tự động đa thông tin tới ngời sử dụng Ví dụnh ứng dụng trong thị trờng chứng khoán, ngời sử dụng di động yêu cầu đợcthông báo ngay khi nào cổ phiếu lên tới một giá cổ phần xác định Server sẽ đ athông tin này tới ngời sử dụng mà không cần thiết lập một cuộc gọi chuyểnmạch kênh yêu cầu có thông báo đó.

tr-Giải pháp kết nối liên tục này của GPRS đã làm tăng lợi ích của các ứngdụng và làm phong phú thêm nhiều nhu cầu của ngời sử dụng Tuy nhiên cũngcó một vấn đề khi thực hiện kết nối liên tục là MS không ở trạng thái truyềnnhận dữ liệu gói trong khi server muốn truyền bản tin Chẳng hạn nh một MSđang ở trong trạng thái thoại mà không ở trạng thái kết nối dữ liệu Trong trờnghợp này, phải có một đờng truyền dữ liệu đan xen Có thể dịch vụ SMS đợc sửdụng để thông báo cho ngời sử dụng di động biết rằng họ sẽ nhận một bản tin.Khi nhận đợc thông báo, ngời sử dụng sẽ chuyển MS từ trạng thái thoại sangtrạng thái dữ liệu để nhận bản tin ứng dụng.

* Tính trực tiếp

Các phơng tiện GPRS kết nối khi thông tin đợc gửi và nhận trực tiếp Đối vớimạng Internet, muốn truy nhập cần có một modem kết nối Nhng đối với mạngGPRS, không cần modem kết nối quay số vẫn có thể truy nhập vào các mạngcông cộng và các mạng cơ vụ.

* Đánh địa chỉ IP động

Trong hệ thống GSM, mục tiêu thiết kế để phục vụ thoại di động là chính.Còn đối với GPRS, mục tiêu chính của nó là tạo ra khả năng truy nhập tới cácmạng dữ liệu tiêu chuẩn (IP, X.25) Các mạng này coi GPRS là chỉ là một thànhphần mạng con thông thờng Do đó mạng GPRS cũng sử dụng một cơ chế đánhđịa chỉ giao thức Internet (IP Addressing) Tuy nhiên các địa chỉ này có hạn dođó giới hạn số lợng ngời sử dụng Internet cũng nh các mạng không dây thế hệ3G Một phơng pháp để giải quyết vấn đề này là cấp phát động các địa chỉ IPcho các thiết bị di động Nh vậy ngời sử dụng di động sẽ có một địa chỉ mạngdữ liệu tĩnh hoặc động và lu lợng dữ liệu sẽ luôn sử dụng gateway do địa chỉ nàychỉ dẫn Một địa chỉ tĩnh (địa chỉ IP) có thể dùng tuỳ chọn Trong trờng hợp đó,địa chỉ này đợc cấp lâu dài cho một thuê bao Nó sẽ hớng tới một gateway của

mạng chủ, gói dữ liệu sẽ luôn đợc định tuyến qua mạng chủ Một địa chỉ độngcấp phát cho ngời sử dụng chỉ trong thời gian một kết nối.

* Các dịch vụ đợc u tiên hoá

Khi một thiết bị kết nối tới mạng GPRS, một thông số QoS (chất lợng dịchvụ) luôn đi kèm kết nối này Nó chỉ ra khả năng đáp ứng yêu cầu của kháchhành về tốc độ dữ liệu GPRS có chức năng cho phép làm tăng hoặc giảm phầntài nguyên của mạng ấn định cho GPRS dựa trên khả năng phân bổ động và đợcđiều hành bởi nhà điều hành mạng.

GPRS có một số chỉ tiêu về chất lợng dịch vụ QoS Nó có thể cung cấp chokhàch hàng các loại QoS khác nhau.

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

Mạng GPRS dựa trên IP cho phép thuê bao truy nhập tất cả các ứng dụngInternet nh các dịch vụ email, chat qua mạng di động; các dịch vụ hình ảnhđộng; các dịch vụ cung cấp thông tin (gia cả thị trờng chứng khoán, thời tiết,mua vé xem phim, ); truyền file GPRS cung cấp chức năng Internet di động

bằng cách phối hợp hoạt động giữa mạng Internet và mạng GPRS.

3 Một số ứng dụng của GPRS

Chat: cho phép ngời sử dụng di động sử dụng ngay các nhóm chat Internet

hiện có mà không cần thiết lập một nhóm chat của riêng mình.

Các dịch vụ thông tin về văn bản và đồ họa: nội dung thông tin trong các

dịch vụ này là giá cổ phiếu, kết quả thể thao, bản tin thời tiết, tin tức thời sự, cácthông tin về giao thông, bản đồ và kết quả sổ xố,

Hình ảnh tĩnh: nh tranh, ảnh (đợc scan hoặc từ máy camera số), bu thiếp, Chia sẻ tài liệu và cộng tác làm việc từ xa: cho phép mọi ngời ở những nơi

làm việc khác nhau cùng sử dụng một tài liệu về vấn đề liên quan tới chuyênmôn nh ngành y tế, báo chí, phòng chữa cháy,

Audio reports: cho truyền thông quảng bá và phân tích, các clip hình ảnh và

âm thanh chất lợng cao (ví dụ để phục vụ cảnh sát làm bằng chứng), yêu cầukích thớc file lớn cần có tốc độ truyền cao.

Email tập thể: cho phép các nhân viên có thể truy nhập hệ thống email cục

bộ từ LAN của họ trong một cơ quan.

LAN: cho phép mọi nhân viên ứng dụng bằng máy tính cá nhân trong toàn

công ty.

Internet email: hầu hết ngời sử dụng Internet email không đợc thông báo có

th mới trên máy di động Họ phải quay số định kỳ để check mail Tuy nhiênbằng cách kết nối Internet sử dụng cơ chế cảnh báo nh SMS hay GPRS, ngời sửdụng sẽ đợc thông báo khi có th mới.

Xác định vị trí: ứng dụng tích hợp trong hệ thống vệ tinh để xác định vị trí

bằng dịch vụ di động phi thoại.

Truyền file: download dữ liệu qua mạng di động hoặc download các phần

mềm ứng dụng,

4 Các điểm khác nhau của mạng GPRS với GSM:

- Băng thông của mạng GPRS lớn hơn nên tốc độ cao hơn.- Kết nối trực tuyến tới mạng Internet.

- Hỗ trợ các dịch vụ Internet từ xa với các dữ liệu văn bản, hìnhảnh (email, chat, hình ảnh động), các dịch vụ cung cấp thông tin nhgiá cả thị trờng chứng khoán, thời tiết, với tốc độ cao.

- Chất lợng cao hơn vì tài nguyên vô tuyến và băng thông chỉ đợcsử dụng khi thực sự truyền dữ liệu.

- Tính cớc theo khối lợng byte sử dụng, khác với GSM tính cớctheo thời gian kết nối.

- Hỗ trợ các giao thức Internet và X.25.

- Bổ xung các phần tử mới vào cấu trúc mạng GSM: GGSN,SGSN và gateway tính cớc.

- Không chỉ dùng GSM MS, có thể sử dụng các thiết bị khác:máy tính cầm tay, đợc kết nối với các máy điện thoại gán GPRS hoặccác modem ngoài hoặc modem card PC.

II Kiến trúc tổng quan

1 Các giao diện và điểm tham chiếu

S M S - G M S CS M S - I W M S C

B S SM T

S i g n a l l i n g I n t e r f a c e

S i g n a l l i n g a n d D a t a T r a n s f e r I n t e r f a c e

H ì n h I I 2 : C ấ u t r ú c l o g i c m ạ n g G P R S

Trong GSM, có nhiều giao diện giữa các thực thể mạng (giao diện A, B, C,D, E, F, G, H) Mạng GPRS triển khai trên nền mạng GSM nên ngoài các giaodiện đó còn đợc bổ sung một số giao diện mới, đó là các giao diện G.

- Các kết nối của hệ thống GPRS tới các phần tử mạng và chuyểnmạch NSC của hệ thống GSM đợc thực hiện thông qua mạng báo hiệusố 7 (gồm Gc, Gd, Gf, Gr, Gs).

- Các điểm tham chiếu và các giao diện khác đợc thực hiện thôngqua mạng backbone Intra-PLMN (Gn), Inter-PLMN (Gp) hoặc cácmạng ngoài Gi.

Trong mạng GPRS có hai điểm tham chiếu khác nhau: Gi dành riêng choGPRS, R đợc dùng chung cho cả mạng GPRS và GSM

- Gi: điểm tham chiếu giữa GGSN và mạng bên ngoài Hệ thốngGPRS sẽ hỗ trợ cho việc kết nối với nhiều kiểu mạng dữ liệu khácnhau và điều này giải thích tại sao Gi không phải là một giao diệnchuẩn hoá mà chỉ đơn thuần là một điểm tham chiếu.

- R: có chức năng kết nối thiết bị đầu cuối TE tới đầu cuối diđộng MT.

Các giao diện trong kiến trúc logic mạng GPRS

- Gb: gữa SGSN và BSS để trao đổi thông tin báo hiệu và lu lợng

ngời dùng Giao diện Gb cho phép nhiều ngời sử dụng đợc dùng chungcác tài nguyên vật lý Nguồn tài nguyên chỉ đợc cung cấp khi ngời sửdụng truyền hay nhận dữ liệu Khác với giao diện A, ngời sử dụngchiếm độc quyền nguồn tài nguyên đã đợc cấp trong suốt thời giancuộc gọi dù có hay không truyền dữ liệu Frame Relay dựa trên cácNS (Network Service) tạo ra khả năng điều khiển lu lợng cho giao diệnnày.

- Gc: giữa GGSN và HLR GGSN có thể yêu cầu thông tin vị trí

từ HLR thông qua giao diện này.

- Gd: giữa SMS-GMSC và SGSN để sử dụng dịch vụ SMS hiệu

quả hơn.

- Gf: giữa SGSN và EIR cho phép SGSN truy vấn các thông tin về

thiết bị trong EIR MS đợc phân loại theo 3 danh sách: black list (chocác MS bị mất trộm), gray list (cho các MS đang đợc theo dõi), vàwhite list (cho các MS còn lại).

- Gn: giữa hai GSN trong cùng một PLMN, là một giao diện báo

hiệu và dữ liệu trong mạng trục Intra-PLMN Giao thức đờng hầm(GPT) của GPRS đợc dùng trong Gn (và Gp) thông qua mạng trục IPcơ sở.

- Gp: giữa hai GSN trong các mạng PLMN khác nhau Gp cung

cấp chức năng giống nh giao diện Gn Nhng ngoài ra cùng với BG vàfirewall, nó còn cung cấp tất cả các chức năng cần thiết cho việc kếtnối liên mạng của mạng Inter-PLMN nh chức năng bảo mật, địnhtuyến,

- Gr: giữa GS và HLR, cho phép SGSN truy vấn các thông tin về

thuê bao trong HLR HLR có thể đợc cài đặt trong một mạng PLMNkhác với mạng của SGSN.

- Gs: giữa SGSN và MSC SGSN có thể gửi thông tin vi trí tới

MSC hoặc nhận các yêu cầu nhắn tin từ MSC thông qua giao diện này.Gs làm tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng và tài nguyên vô tuyếnkhi có sự kết hợp giữa mạng GSM và GPRS.

- Um: giữa MS và phần cố định của GPRS Giao diện này cũng

giống giao diện Um của GSM nhng có một số thay đổi cho phù hợpvới GPRS.

2 Các phần tử trong mạng GPRS

GPRS đợc áp dụng một cách logic trên cấu trúc mạng GSM bằng việc thêmvào hai nút hỗ trợ GPRS (GSN): nút hỗ trợ phục vụ GPRS (SGSN), nút hỗ trợcổng GPRS (GGSN) Trong một mạng GPRS có thể có nhiều GSN.

SGSN (Serving GPRS Support Node):

- Có cùng mức với MSC- Lu giữ vị trí của từng MS

- Thực hiện các chức năng quản lý di động- Thực hiện nhận thực

- Thực hiện mã hoá

- Cung cấp điều khiển truy nhập

SGSN liên kết với hệ thống trạm gốc BSS bằng frame Relay (giao diện Gb)truyền các gói dữ liệu tới các thiết bị di động trong vùng phục vụ của nó SGSNcũng giao diện với HLR để lấy các thông tin về thuê bao SGSN có chức năngphát hiện thiết bị di động mới vào vùng phục vụ và duy trì các thông tin về vị trítrong vùng phục vụ đó Trong quá trình kết nối với mạng (GPRS attach), SGSNthiết lập chức năng quản lý di động chứa các thông tin liên quan di động và bảomật cho MS Khi kích hoạt PDP context, SGSN thiết lập PDU PDP context đểđịnh tuyến tới GGSN phục vụ thuê bao GPRS SGSN có thể gửi thông tin vị trítới MSC/VLR và nhận các yêu cầu nhắn tin từ MSC/VLR qua giao diện Gs.

GGSN (Gateway GPRS Support Node):

Cung cấp chức năng liên kết hoạt động với các mạng chuyển mạch gói ngoàivà kết nối với các SGSN qua mạng đờng trục GPRS-IP, dựa vào địa chỉ PDP.GGSN chuyển đổi các gói dữ liệu GPRS đến từ SGSN thành khuôn dạng giaothức dữ liệu gói (PDP) nh X.25, IP và truyền các gói này trong mạng GGSN cóthể kết nối với mạng GPRS khác để phục vụ chuyển vùng.

Khi dữ liệu đợc truyền từ mạng PDP tới mạng GSM, địa chỉ PDP đầu vào sẽchuyển thành địa chỉ đích GSM Các gói đợc đánh địa chỉ lại này gửi từ GGSN

tới SGSN tơng ứng Để hỗ trợ chức năng định tuyến cho ngời sử dụng, GGSN lucác địa chỉ của SGSN trong thanh ghi dịch vị trí Hơn nữa, GGSN cũng thựchiện chức năng nhận thực và tính cớc GGSN có thể yêu cầu cung cấp thông tinvị trí từ HLR qua giao diện Gc GGSN là điểm đầu tiên của kết nối PDN vớimạng PLMN (điểm tham chiếu Gi).

Các chức năng của SGSN và GGSN có thể đợc kết hợp trong cùng một nútvật lý hoặc là các nút khác nhau SGSN và GGSN có chức năng định tuyến IP vàkết nối với các bộ định tuyến IP SGSN và GGSN ở các mạng PLMN khác nhausẽ đợc kết nối qua giao diện Gp Giao diện này có chức năng của giao diện Gnvà bổ sung chức năng bảo mật phục vụ truyền thông liên mạng PLMN.

Mạng đờng trục là mạng IP cơ sở Có hai loại mạng đờng trục GPRS:

- Mạng đờng trục PLMN cục bộ (Intra-PLMN Backbone Network):là mạng IP liên kết nối các GSN trong cùng một mạng PLMN.

- Mạng đờng trục PLMN liên mạng (Inter-PLMN BackboneNetwork): Là mạng IP liên kết nối các GSN trong các mạng PLMNkhác nhau.

Mạng Intra-PLMN Backbone là một mạng IP riêng biệt chỉ dành cho dữliệu và báo hiệu GPRS Mạng IP riêng biệt là mạng IP mà sử dụng một cơ chếđiều khiển truy nhập nào đó để đạt đợc mức bảo mật theo yêu cầu Hai mạngIntra-PLMN Backbone đợc kết nối qua giao diện Gp sử dụng Border Gateway(BG) với một mạng Inter-PLMN Mạng Inter-PLMN Backbone đợc lựa chọntheo yêu cầu chuyển vùng (roaming), bao gồm chức năng bảo mật BG Thôngthờng BG bao gồm một firewall có chức năng bảo vệ mạng và một bộ địnhtuyến (router) phục vụ việc lựa chọn mạng BG không đợc định nghĩa trongphạm vi mạng GPRS Inter-PLMN Backbone là một mạng IP cơ sở, ví dụ mạngIP cá nhân hay mạng Internet công cộng sử dụng kênh thuê riêng (leased line).

MSC/ VLR có thể đợc cải tiến nhằm tăng tính hiệu quả trong việc phối hợpcác dịch vụ GPRS với các dịch vụ phi GPRS, cũng nh cải thiện chức năng bằngviệc sử dụng giao diện Gs, trong đó nó sử dụng các thủ tục BSSAP+ là một phầnthủ tục BSSAP thông thờng.

SMS-GMSC và SMS-IWMSC

Việc nhắn tin cuộc gọi chuyển mạch kênh có thể đợc thực hiện hiệu quảhơn thông qua SGSN, nh vậy nó có thể kết hợp việc cập nhật dữ liệu vị trí cho cảcác thuê bao GPRS và non-GPRS SMS-GMSC và SMS-IWMSC đợc kết nối tớiSGSN cho phép MS gửi và nhận SM qua các kênh vô tuyến GPRS.

Máy di động GPRS (GPRS MS)

GPRS MS có thể hoạt động trong 3 lớp tuỳ vào dịch vụ mà MS sử dụng vàkhả năng hoạt động của MS.

Lớp A : MS sử dụng đồng thời dịch vụ GPRS và dịch vụ chuyển mạch kênh

GSM Ví dụ: tại cùng một thời điểm nó có khả năng thực hiện các cuộc gọiGSM thông thờng đồng thời tiếp nhận dữ liệu GPRS.

Lớp B : MS khai báo sử dụng đồng thời dịch vụ GPRS và dịch vụ GSM,

nhng MS chỉ có thể sử dụng một dịch vụ tại một thời điểm.

Lớp C : MS chỉ sử dụng dịch vụ GPRS.

3 Cấu trúc giao thức GPRS

Truyền dẫn trong GPRS bao gồm một cấu trúc giao thức phân lớp, cungcấp việc chuyển giao thông tin ngời sử dụng theo các thủ tục điều khiển chuyểngiao thông tin (điều khiển luồng, phát hiện, sửa lỗi) Hệ thống GPRS đa ra mộttập hợp các giao thức mới so với GSM Việc kết nối giữa các phần tử mạng mớiđợc thực hiện với các giao thức mới riêng của GPRS Tuy nhiên, GPRS triểnkhai trên nền mạng GSM nên một số giao thức vốn có của GSM vẫn đợc dùngtại các lớp thấp trong phân lớp giao thức.

- GSM RF là lớp vật lý thông thờng của GSM.

- RLC (điều khiển liên kết vô tuyến): cho phép thiết lập một đờngkết nối vô tuyến tới các lớp cao hơn (đủ độ tin cậy).