3.3.1 Giới thiệu GPRS
GPRS (General Packet Radio Service) là công nghệ chuyển mạch gói được các nhà khai thác GSM lựa chọn như là một bước chuẩn bị cơ sở hạ tầng kỹ thuật để tiến lên 3G. Nó sẽ giúp các nhà khai thác có thể triển khai nhiều ứng dụng đối với mạng điện thoại di động. GPRS hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao cho GSM với tốc độ tối đa đường truyền có thể đạt 171,2 kbit/s. Nhờ đó có thể truy cập Internet từ MS có tính năng WAP (Wireless Application Protocol) để gửi tin nhắn hình ảnh và âm thanh. Và có thể truy cập mạng Internet để gửi email, nhận fax, truy cập các cơ sở dữ liệu. GPRS cho phép cung cấp dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS – Multimedia Message Service) và dịch vụ truyền ảnh động VTS (Video Streaming). Đặc biệt với tính năng luôn luôn kết nối, mạng GPRS cho phép người sử dụng vừa có thể kết nối mạng Internet vừa có thể đàm thoại đồng thời. Một MS trong mạng GPRS có thể truy nhập đến nhiều khe thời gian. Với GPRS, người sử dụng có thể dùng chung một tài nguyên vô tuyến. Vì thế hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất cao, cước phí truy cập mạng cũng chỉ tính theo lưu lượng dữ liệu được truyền tải.
Giao diện vô tuyến của GPRS được xây dựng trên cùng nền tảng như giao diện vô tuyến của GSM, cùng sóng mang vô tuyến độ rộng 200KHz và 8 khe thời gian. Như vậy cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đều có thể sử dụng cùng sóng mang. Tuy nhiên mạng đường trục của GPRS được thiết kế sao cho nó không phụ thuộc vào giao diện vô tuyến. Mạng GPRS là một mạng số liệu gói được xây dựng trên cơ sở cấu trúc mạng GSM, vì vậy việc đưa chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết bị cho mạng.
3.3.2. Các đặc điểm của mạng GPRS
- Sử dụng công nghệ chuyển mạch gói:
Với việc sử dụng công nghệ chuyển mạch gói, một thiết bị có thể luôn luôn được kết nối và sẵn sàng gửi một thông tin mà không cần chiếm dụng một kênh riêng trong suốt thời gian truyền số liệu và kênh có thể được chia sẻ cho nhiều người dùng khác nhau. Điều này mạng chuyển mạch kênh không thể làm được. Ngoài ra, trong GPRS nếu một lỗi được phát hiện trong một khung dữ liệu thu được
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
trong BSS thì khung sẽ được yêu cầu phát lại cho đến khi chính xác trước khi gửi qua mạng lõi GPRS.
- Cho phép kết hợp nhiều khe thời gian để truyền dữ liệu:
GPRS sử dụng cùng một sóng mang với băng thông 200 KHz và 8 khe thời gian như GSM. Tuy nhiên trong GPRS có thể kết hợp các khe trong số 8 khe thời gian để truyền dữ liệu nên số gói dữ liệu truyền đi trong mỗi khung truyền tăng lên. Kết hợp việc cấp phát tài nguyên động nên hiệu quả sử dụng băng tần tăng lên đáng kể.
- Kết nối tức thời và tính cước thuận lợi:
GPRS dễ dàng kết nối tức thời và người dùng có thể thiết lập luôn kết nối mà không chiếm dụng tài nguyên, do đó thông tin có thể gửi hoặc nhận tức thời ngay khi có nhu cầu. Tức thời là một ưu điểm của GPRS khi so sánh với số liệu chuyển mạch kênh GSM vì nó đáp ứng được các ứng dụng có tính cấp bách.
Trong chuyển mạch kênh thì việc tính cước là toàn bộ thời gian chiếm dụng kênh mặc dù có những khoảng thời gian không có dữ liệu được gửi đi. Với GPRS chỉ tính cước theo dung lượng được gửi đi. Điều này thuận lợi cho việc kết nối trực tuyến với mạng trong thời gian dài.
- Hỗ trợ các dịch vụ băng rộng:
Cũng như Internet, GPRS sử dụng công nghệ chuyển mạch gói và các giao thức trong họ TCP/IP nên tất cả các ứng dụng như email, truy cập Web tin nhanh và truyền file đều có thể thực hiện qua mạng GPRS. Tốc độ truyền số liệu nhanh hơn cho phép GPRS chứa đựng các ứng dụng băng rộng vốn không thích hợp với các kết nối quay số chậm hơn như GSM.
- Tính bảo mật cao hơn:
GPRS cho phép thêm vào các giao thức sử dụng cho nhận thực trước khi thuê bao được phép truy cập vào Internet hoặc các mạng số liệu khác. GPRS phụ trợ việc mã hóa dữ liệu người dùng qua giao diện Wireless từ đầu cuối di động đến SGSN (nút hỗ trợ dịch vụ).
- Hiệu quả trong việc sử dụng phổ:
Trong GPRS tài nguyên vô tuyến chỉ được sử dụng khi người sử dụng thực tại đang gửi hoặc nhận dữ liệu. Một tài nguyên vô tuyến hiện có có thể được chia sẻ đồng thời giữa vài người sử dụng khác nhau. Nhờ hiệu suất sử dụng tài nguyên vô
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
tuyến này mà một số lớn người sử dụng GPRS có thể chia sẻ cùng một băng thông và được phục vụ từ cùng một cell.
3.3.3. Cấu trúc của mạng GPRS
Hình 3.2 Cấu trúc mạng GPRS
Các phần tử trong mạng GPRS
- Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN - Serving GPRS Support Node): thực hiện các chức năng chính sau:
+ Quản lý việc di chuyển của các đầu cuối GPRS bao gồm việc quản lý nhập mạng, rời mạng của thuê bao; mật mã, bảo mật của người sử dụng; quản lý vị trí hiện thời của thuê bao…
+ Định tuyến và truyền các gói dữ liệu giữa các máy đầu cuối GPRS. Các luồng được định tuyến từ SGSN đến BSC thông qua BTS đến MS.
+ Quản lý trung kế logic tới đầu cuối di động bao gồm việc quản lý các kênh lưu lượng gói, lưu lượng nhắn tin ngắn SMS và tín hiệu giữa các máy đầu cuối với mạng. SMS-GMSC SMS-IWMSC SMS-C MSC/ VLR HLR BSC GG SGSN EIR PCU SGSN Mạng PLMN khác GGSN PDN BTS MT TE E C Gd D Cs Gr Gc A Um R Gb Gn Gi Gn Gp Gf Báo hiệu
Báo hiệu và lưu lượng
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
+ Xử lý các thủ tục dữ liệu gói PDP (Packet Data Protocol) bao gồm các thông số quan trọng như tên điểm truy nhập, chất lượng dịch vụ khi kết nối với một mạng dữ liệu khác bên ngoài hệ thống. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Quản lý các nguồn kênh tài nguyên BSS.
+ Cung cấp các file tính cước dành cho dữ liệu gói.
+ Quản lý truy nhập, kiểm tra truy nhập các mạng dữ liệu ngoài bằng mật mã và sự xác nhận.
- Nút hỗ trợ cổng GPRS(GGSN - Gateway GPRS Support Node):
Là điểm giao diện với các mạng số liệu gói bên ngoài. Một SGSN có thể giao diện với một hay nhiều GGSN. Đây là giao diện trên cơ sở IP được sử dụng để mang báo hiệu và số liệu người sử dụng. Giao diện này truyền xuyên số liệu giữa SGSN và GGSN qua mạng đường trục IP. GGSN chuyển đổi các gói dữ liệu GPRS đến từ SGSN thành khuôn dạng giao thức dữ liệu gói (PDP).
Chức năng chính của GGSN:
+ Hỗ trợ giao thức định tuyến cho dữ liệu máy đầu cuối. + Giao tiếp với các mạng dữ liệu gói IP bên ngoài. + Cung cấp chức năng bảo mật mạng.
+ Quản lý phiên GPRS theo mức IP, thiết lập thông tin đến mạng bên ngoài. + Cung cấp dữ liệu tính cước (CDRs - Charging Data Records ).
- Hệ thống trạm gốc BSS
BSS cung cấp tất cả các chức năng điều khiển và truyền dẫn thông tin vô tuyến của mạng, bao gồm:
+ Khối điều khiển dữ liệu gói PCU: có nhiệm vụ kết hợp các chức năng điều khiển vô tuyến GPRS (điều khiển truy nhập giao diện vô tuyến) với phần hệ thống trạm gốc BSS của mạng GSM. PCU định tuyến các bản tin báo hiệu và truyền tải dữ liệu của người sử dụng. PCU sẽ lắp ráp và sắp xếp lại dữ liệu để chuyển tới SGSN. Tại PCU các khối dữ liệu RLC sẽ được sắp xếp trong khung LLC (điều khiển liên kết logic), sau đó được chuyển tới SGSN. PCU đặt tại BSC và phục vụ BSC đó.
+ Bộ điều khiển trạm gốc BSC: trong mạng GPRS, BSC đóng vai trò trung tâm phân phối, định tuyến dữ liệu và thông tin báo hiệu GPRS. BSC có thể thiết lập,
GG
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
giám sát và hủy bỏ kết nối của các cuộc gọi chuyển mạch kênh cũng như chuyển mạch gói.
+ Trạm gốc BTS: cung cấp khả năng ấn định kênh vật lý tại các khe thời gian cho cuộc gọi chuyển mạch kênh trong mạng GSM và dữ liệu chuyển mạch gói trong mạng GPRS. BTS kết hợp với BSC để thực hiện các chức năng về vô tuyến.
- Phần chuyển mạch:
+ MSC/VLR: Được sử dụng cho việc đăng ký và liên lạc với thuê bao nhưng không đóng vai trò gì trong việc định tuyến dữ liệu GPRS. Trong hệ thống GSM, MSC/VLR không được dùng cho thủ tục nhận thực thuê bao như trong hệ thống GSM mà thay vào đó là HLR. Do đó SGSN sẽ nhận bộ ba thông số dành cho việc nhận thực từ HLR/AUC.
+ HLR/AUC: HLR lưu giữ tất cả các thông tin về thuê bao GSM cũng như GPRS. Thông tin về thuê bao GPRS được trao đổi giữa HLR với SGSN. HLR thực hiện quản lý di động cho các thuê bao GPRS bằng cách lưu trữ các thông tin định tuyến của các thuê bao GPRS từ vùng cập nhật vị trí trong SGSN và báo cho SGSN cũ biết sự thay đổi vị trí của thuê bao. HLR được sử dụng trực tiếp cho việc nhận thực thuê bao thay cho MSC/VLR.
AUC cung cấp bộ ba thông số nhận thực và thực hiện mã hóa đường truyền. + EIR: thực hiện các chức năng như trong hệ thống GSM. EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến thiết bị đầu cuối MS, nó được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự hợp pháp của thiết bị.
- Thiết bị cung cấp dịch vụ nhắn tin ngắn SMS-GMSC (tổng đài di động có cổng cho dịch vụ SMS) và SMS-IWMSC (tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ SMS):
Được kết nối với SGSN qua giao diện Gd nhằm cung cấp khả năng truyền tải các bản tin ngắn.
- Thiết bị đầu cuối GPRS (MS):
Có thể chia làm 3 loại:
+ Loại 1: Hỗ trợ sử dụng đồng thời các dịch vụ thoại và số liệu. Người sử dụng loại 1 có thể vừa nói chuyện vừa truyền số liệu GPRS cùng một lúc (sử dụng cả hai dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đồng thời).
GG
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
+ Loại 2: Hỗ trợ đồng thời việc nhập mạng GPRS và nhập mạng GSM nhưng không cho phép sử dụng đồng thời cả hai dịch vụ. Người sử dụng loại 2 có thể được đăng ký ở mạng GSM và mạng GPRS đồng thời nhưng không thể vừa nói chuyện vừa truyền số liệu.
+ Loại 3: Có thể nhập mạng GPRS hoặc GSM nhưng không thể nhập đồng thời cả hai mạng. Tại một thời điểm nhất định, thiết bị loại 3 hoặc là thiết bị GSM hoặc là thiết bị GPRS. Nếu đã nhập một loại dịch vụ thì có thể coi rằng thiết bị đã rời bỏ dịch vụ kia.
- Mạng đường trục GPRS (Backbone): (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mạng Backbone kết hợp một số giao diện chuẩn dữ liệu chuẩn dùng để kết nối giữa các nút SGSN, GGSN và các mạng dữ liệu bên ngoài. Có hai loại mạng Backbone:
- Mạng intra-backbone: Kết nối các phần tử trong cùng một PLMN như các nút SGSN, GGSN.
- Mạng inter-backbone: Dùng để kết nối giữa các mạng intra-backbone của hai PLMN khác nhau thông qua cổng BG (Border Gateway).
Mạng Backbone giải quyết vấn đề tương tác giữa các mạng GPRS. Lý do chính mà hệ thống hỗ trợ vấn đề tương tác giữa các mạng GPRS là để cho phép roaming giữa các thuê bao GPRS. Các thuê bao roaming sẽ có một địa chỉ PDP
GG SN Mạng nội hạt Mạng intra backbone Mạng inter backbone Mạng intra backbone Mạng số liệu Operator 1 Operator 2 MS của Operator1 MS của Operator1 GPRS Register GPRS Register Hình 3.3 Mạng đường trục của GPRS
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
được cấp phát bởi mạng PLMN chủ, một router chuyển tiếp giữa mạng PLMN chủ và mạng PLMN mà thuê bao di chuyển đến. Định tuyến này được dùng cho cả thuê bao đã hoàn toàn hay bắt đầu truyền dữ liệu. Thông tin được truyền thông qua các cổng biên BG.
3.3.4. Giao thức trong mạng GPRS
Các giao thức của GPRS cung cấp các chức năng điều khiển và truyền tải dữ liệu trên mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng truyền dẫn.
* Các giao thức trong mặt phẳng truyền dẫn:
- Giao thức tạo đường hầm GTP (GPRS Tunnelling Protocol): phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu giữa các nút GSN trong mạng đường trục GPRS.
- Giao thức điều khiển truyền dẫn/giao thức dữ liệu gói người sử dụng TCP/UDP: TCP chuyển các khối dữ liệu gói PDU của giao thức GTP trong mạng đường trục GPRS cho các giao thức cần thiết để liên kết dữ liệu tin cậy. TCP cung cấp khả năng điều khiển luồng và bảo vệ chống lại sự thất thoát hay ngắt quãng các PDU của GTP.
- Giao thức IP (Internet Protocol): được sử dụng trong mạng đường trục GPRS, phục vụ cho việc báo hiệu và định tuyến dữ liệu.
- Điều khiển kết nối logic LLC (Logical Link Control): cung cấp liên kết dữ liệu tin cậy giữa máy đầu cuối và SGSN đang phục vụ máy đầu cuối đó. LLC phục vụ truyền tải các PDU giữa máy đầu cuối và SGSN, phát hiện và khôi phục các PDU của LLC bị thất lạc hoặc ngắt quãng.
- Chuyển tiếp (Relay): Trong BSC chức năng này sẽ chuyển tiếp các PDU của LLC giữa giao diện Um và Gb. Tại SGSN nó sẽ chuyển tiếp các PDU của PDP giữa các giao diện Gb và Gn.
- Điều khiển kết nối vô tuyến/điều khiển truy nhập môi trường RLC/MAC: RLC cung cấp một liên kết tin cậy trên giao diện vô tuyến. MAC điều khiển các thủ tục báo hiệu truy nhập trên kênh vô tuyến và sắp xếp các khung LLC vào các kênh vật lý.
* Các giao thức trong mặt phẳng báo hiệu:
- Điều khiển việc truy nhập mạng GPRS như nhập mạng và rời mạng
- Điều khiển thiết lập các kết nối trong mạng như quá trình khởi hoạt một địa chỉ PDP
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
- Điều khiển việc ấn định, cấp phát tài nguyên.
3.3.5 Giao diện vô tuyến3.3.5.1. Lớp vật lý của GPRS 3.3.5.1. Lớp vật lý của GPRS
Được chia làm 2 lớp con:
- Lớp RF vật lý (Physical RF Layer): thực hiện chức năng truyền dẫn cơ bản, thu nhận như điều chế và giải điều chế. Sau đó truyền lên lớp đường truyền vật lý.
- Lớp đường truyền vật lý (PLL – Physical Link Layer): thực hiện chức năng đóng khung đơn vị dữ liệu, mã hóa, hiệu chỉnh lỗi truyền dẫn trung kế vật lý và ghép xen. Ngoài ra còn cung cấp chức năng cho việc lựa chọn lại cell, điều khiển công suất.
3.3.5.2. RLC/MAC của GPRS
Tên đầy đủ của lớp 2 là điều khiển truy nhập môi trường MAC và lớp điều khiển liên kết vô tuyến RLC. MAC là lớp con thấp còn RLC là lớp con cao hơn.
* Các chức năng của MAC:
- MAC cho phép nhiều MS chia sẻ một tài nguyên truyền dẫn chung. MAC cho phép một MS sử dụng song song một vài kênh vật lý, nghĩa là sử dụng một vài khe thời gian trong khung TDMA. Đối với lưu lượng dữ liệu kết cuối di động, thực thể MAC cung cấp các thủ tục xếp hàng và lập lịch của những lần cố gắng truy nhập. Đối với lưu lượng dữ liệu được khởi đầu bằng di động, MAC cung cấp cách xử lý giữa các máy di động cố gắng truy nhập môi trường được chia sẻ cùng lúc.
- MAC cung cấp cách ghép kênh hiệu quả dữ liệu và báo hiệu trên cả hai (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});