Mặt phẳng truyền dẫn bao gồm các cấu trúc giao thức phân lớp phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu của người sử dụng, kết hợp các thủ tục điều khiển phục vụ cho việc truyền tải như: điều khiển luồng, phát hiện và sửa lỗi...
Mô tả chi tiết các giao thức như sau:
* Giao thức GTP ( GPRS Tunneling Protocol-Giao thức tạo đường hầm GPRS ).
Giao thức này phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu giữa các GSN trong mạng đường trục GPRS. Tất cả các PTP, PDU, PDP đều được kết hợp bởi GTP. GTP cũng có thể cung cấp khả năng điều khiển luồng giữa các GSN.
TE TE MTMT Um R-reference point PDNs hoặc mạng khác Mạng GPRS 1 Mạng GPRS 2 G p Gi-reference point
Các gói GTP có thể mang các gói tin IP hoặc X.25. Bởi vì có nhiều giao diện GGSN và SGSN, GTP cung cấp cho mỗi gói một nhận dạng đường hầm (TID) để nhận dạng đích đến.
Hình 2.3. Các giao thức truyền dẫn sử dụng trong hệ thống GPRS.
Mạng GPRS đóng gói tất cả các giao thức mạng số liệu bằng chính giao thức đóng gói của nó, được gọi là GTP. Thực hiện điều này là để đảm bảo an ninh trong mạng xương sống và để đơn giản cơ chế định tuyến, chuyển giao dữ liệu qua mạng GPRS .Để quản lý được việc truyền các gói tin, bên cạnh mặt phẳng truyền dẫn GTP sử dụng một mặt nữa là mặt quản lý. Mặt phẳng quản lý này có nhiệm vụ tạo ra, sửa đổi và xoá các ống tin trong quá trình trao đổi thông tin.
* Giao thức TCP/UDP (Transmission Control Protocol/User Datagram Protocol)
TCP chuyển các khối điều khiển dữ liệu gói (PDU) của GTP trong mạng đường trục GPRS cho các giao thức cần thiết để liên kết dữ liệu tin cậy (như X.25). TCP cung cấp khả năng điều khiển luồng và bảo vệ chống lại sự thất thoát hay ngắt quãng các PDU của GTP. UDP chuyển các PDU của GTP cho các giao thức không cần phải có một liên kết dữ liệu tin cậy (như IP). UDP cung cấp khả năng bảo vệ chống lại việc PDU của GTP bị ngắt quãng và chuyển các bản tin báo hiệu giữa các GSN.
TCP được sử dụng để truyền các PDU qua giao diện Gn một cách tin cậy (có báo nhận và truyền lại). UDP được sử dụng tại giao diện Gn để mang các GTP-PDU (tất cả thông tin báo hiệu và dữ liệu của người sử dụng) mà không đòi hỏi sự tin cậy.
* Giao thức IP (Internet Protocol)
Là giao thức được sử dụng trong mạng đường trục GPRS, phục vụ cho việc định tuyến và truyền tải dữ liệu tại giao diện Gn.
Kích thước IP datagram bị giới hạn bởi khả năng của MTU (Maximum transmission unit) tại lớp vật lý. Một IP datagram có thể lên đến 65.535 Octets, nhưng nếu MTU lớp vật lý mà nhỏ hơn kích thước này thì cần phải phân đoạn. GGSN hay SGSN trước hết phải quyết định kích thước của MTU và sau đó thực hiện việc phân đoạn.
Như vậy, các gói GTP có thể mang các gói tin IP hoặc X.25, ở phía dưới giao thức GTP sẽ là giao thức TCP hoặc UDP. Các giao thức TCP/UDP lại sử dụng các lớp mạng truyền và định tuyến các gói tin của mình.
*Giao thức SNDCP (Subnetwork Dependent Convergence Protocol)
Là giao thức hội tụ phụ thuộc phân hệ mạng, được sử dụng giữa SGSN và máy di động. Giao thức này chuyển đổi các N-PDU trên giao diện Gn sang dạng thích hợp cho các cấu trúc mạng GPRS phía dưới.
Người ta sử dụng giao thức SNDCP để cắt nhỏ các gói tin IP ở phía phát trước khi truyền qua giao diện vô tuyến và ở phía thu người ta cũng sử dụng giao thức này để nối các phần của gói tin bị cắt thành gói tin ban đầu.
Giao thức phụ trách chuyển đổi các đặc tính lớp mạng và các đặc tính dưới lớp mạng. SNDCP thực hiện các chức năng như sau:
•Ghép kênh các gói dữ liệu N-PDU từ một hay nhiều ứng dụng vào một liên kết logic LLC thích hợp.
•Lưu trữ đệm các N-PDU để thực hiện dịch vụ báo nhận.
•Cung cấp việc quản lý thứ tự cho mỗi NSAPI.
•Nén thông tin điều khiển và dữ liệu của người dùng trước khi được chuyển từ lớp mạng xuống lớp điều khiển kết nối logic LLC.
•Phân mảnh và tập hợp dữ liệu: thông tin sau khi được nén sẽ được phân mảnh cho phù hợp với kích cỡ của khung LLC.
•Đưa ra các thông số điều khiển giữa các thực thể SNDCP.
* Giao thức 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 sẽ cung cấp các dịch vụ cần thiết cho việc bảo dưỡng liên kết dữ liệu được mã hóa giữa máy đầu cuối và SGSN. LLC hỗ trợ các thủ tục.
•Phục vụ truyền tải dữ liệu các PDU của LLC giữa máy đầu cuối và SGSN ở chế độ xác nhận và chế độ không xác nhận.
•Phát hiện và khôi phục các PDU của LLC bị thất lạc hoặc ngắt quãng.
•Điều khiển luồng và mã hóa các PDU của LLC giữa máy đầu cuối và SGSN. Các kết nối logic này được truyền mang tính trong suốt đối với BSC. Tất cả các bản tin báo hiệu tới BSC sẽ đi từ máy di động qua BSC tới SGSN rồi mới quay trở lại BSC.
* Lớp 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.
* Giao thức BSSGP (BSS GPRS Protocol)
Giao thức này định tuyến các thông tin giữa SGSN và BSS. Nó vận chuyển thông tin về cấp độ phục vụ QoS nhưng không thực hiện chức năng sửa lỗi. Chức năng chính của nó là cung cấp những thông tin liên quan đến phần vô tuyến cho chức năng RLC và MAC trên giao diện vô tuyến. Nó có nhiệm vụ là giao thức cho quá trình trao đổi các luồng tín hiệu điều khiển giữa SGSN và BSS.
* Dịch vụ mạng (Network Service)
Lớp NS sử dụng một bảng tìm kiếm DLCI (Data Link Connection Identifier) để chỉ ra đường định tuyến giữa SGSN và BSS. Giá trị khởi đầu của trường DLCI được xuất phát từ BVCI, NSEI và LSP do lớp BSSGP cung cấp. Giá trị này thay đổi khi khung đi qua mạng FR và đến đích cuối cùng của nó.
* Giao thức RLC/MAC- Radio Link Control/Medium Access Control (Điều khiển kết nối vô tuyến/ điều khiển truy nhập trung gian)
Chức năng RLC cung cấp một liên kết tin cậy trên giao diện vô tuyến. Còn chức năng MAC điều khiển các thủ tục báo hiệu truy nhập trên kênh vô tuyến và thực hiện sắp xếp các khung LLC vào các kênh vật lý.
RLC thực hiện các chức năng:
•Truyền tải các LLC-PDU giữa lớp LLC và chức năng MAC.
•Phân đoạn các LLC-PDU thành các khối dữ liệu RLC và tập hợp, ráp các khối dữ liệu RLC này cho vừa với các khung TDMA.
•Thực hiện việc sửa lỗi bằng cách truyền lại cho những khối dữ liệu RLC bị sai. * GSM RF (Tần số vô tuyến GSM): tạo lập nên khung TDMA.
2.4. MẶT PHẲNG BÁO HIỆU
Mặt phẳng báo hiệu bao gồm các giao thức điều khiển và hỗ trợ cho các chức năng truyền dẫn, nó bao gồm:
•Điều khiển việc truy nhập mạng GPRS như nhập mạng và rời mạng.
•Điều khiển thiết lập các kết nối trong mạng như quá trình khởi hoạt một địa chỉ PDP.
•Điều khiển việc định tuyến trong mạng, hỗ trợ khả năng di động của MS.
•Điều khiển việc ấn định, cấp phát tài nguyên.
•Cung cấp các dịch vụ bổ sung.
•Phân đoạn các LLC-PDU thành các khối dữ liệu RLC và tập hợp, ráp các khối dữ liệu RLC này cho vừa với các khối khung TDMA.
•Thực hiện việc sửa lỗi bằng cách truyền lại cho những khối dữ liệu RLC bị sai.
2.4.1. Giao diện Gb (MS-SGSN )
SGSN với một hay nhiều khối điều khiển gói PCU (Packet Control Unit) được kết nối với nhau qua giao diện Gb. Nó cho phép nhiều người sử dụng có thể cùng chia sẻ nguồn tài nguyên chung. Các bản tin báo hiệu và dữ liệu người dùng có thể được gửi trên cùng nguồn tài nguyên vật lý.
Hình 2.4. Mặt phẳng báo hiệu MS-SGSN
GMM/SM (GPRS Mobile Management/ Session Management - Quản lý di động GPRS/Quản lý phiên): giao thức này hỗ trợ cho chức năng quản trị di động trong mạng GPRS như nhập mạng, rời mạng, cập nhật vùng định tuyến, cập nhật vùng định vị, khởi tạo/huỷ bỏ PDP context và cập nhật vùng định tuyến RAI.
Giao diện này hỗ trợ:
•Chia sẻ hạ tầng mạng: cho phép lưu lượng trên giao diện A (trong GSM) và Gb có thể cùng di trên một đường E1.
•Kết hợp các liên kết: cho phép kết hợp nhiều giao diện Gb trên nhiều đường E1 về một đường E1.
2.4.2. Giao diện Gr ( SGSN - HLR) và giao diện Gf (SGSN - EIR)
Giao diện này kết nối SGSN với HLR bởi báo hiệu số 7, nó cung cấp khả năng truy nhập tới tất cả các nút trong mạng báo hiệu số 7, bao gồm HLR của nội mạng PLMN và HLR của mạng PLMN khác.
Kiến trúc giữa SGSN và HLR, VLR, EIR sử dụng cùng giao thức giống như trong GSM nhưng mở rộng chúng với những chức năng chỉ định trong GPRS. Giữa SGSN và HLR cũng như giữa SGSN và EIR, giao thức MAP đã tăng cường thêm một số chức năng được triển khai.
Tại giao diện này, giao thức MAP (Mobile Application Part) hỗ trợ cho khả năng trao đổi tín hiệu giữa SGSN và HLR, EIR. Nó mang thông tin báo hiệu liên quan đến việc cập nhật vị trí, thông tin định tuyến, thuộc tính của người sử dụng và chuyển giao.
Còn các giao thức TCAP (Transmission Capabilities Application Part), SCCP (Signalling Connection Control Part), MTP3 (Message Transfer Layer 3), MTP2 giống như giao thức được sử dụng hỗ trợ MAP trong mạng GSM.
Hình 2.5. Mặt phẳng báo hiệu SGSN – HLR. SGSN Gr HLR MTP2 MTP3 SCCP TCAPM A MAP L1 MTP2 MTP3 SCCP TCAPM A MAP L1
MAP (Mobile Application Port): Cổng ứng dụng di động
TCAP (Transaction Capabilities Application Part): Phần ứng dụng các khả năng giao dịch.
SCCP (Signaling Connection Control Part): Phần điều khiển kết nối báo hiệu. MTP (Message Transfer Part): Phần chuyển giao tin báo.
2.4.3. Giao diện Gs (SGSN - MSC/VLR)
Tại giao diện này, BSSAP+ (BSS Application Part +) là một phần trong các thủ tục BSSAP nhằm hỗ trợ cho việc báo hiệu giữa SGSN và MSC/VLR. Nó bao gồm các chức năng của BSSAP trong GSM. Nó được dùng để truyền tải các thông tin báo hiệu giữa SGSN và MSC/VLR.
Hình 2.6. Mặt phẳng báo hiệu SGSN- VLR.
2.4.4. Giao diện Gd (SGSN - SMS/GMSC hoặc SMS/IWMSC)
Gd là giao diện giữa SGSN với SMS-GMSC và SGSN với SMS - WMSC. Tại giao diện này, giao thức MAP hỗ trợ việc báo hiệu giữa SGSN và SMS - MSC phục vụ cho việc truyền tải các bản tin ngắn.
MTP2 L1 MTP3 SCCP BSSAP+ MTP2 L1 MTP3 SCCP BSSAP+ MSC/VLR Gs SGSN
BSSAP (Base Station System Application Part): Phần ứng dụng của hệ thống trạm gốc.
MSC/VLR (Mobile Switching Center/Visitor Location Register): Tổng đài chuyển mạch di động/Bộ đăng kí tạm trú
Hình 2.7. Mặt phẳng báo hiệu SGSN – SMS/GMSC.
2.4.5. Giao diện Gn (GSN - GSN)
Gn là giao diện giữa các SGSN hay giữa SGSN và GGSN, chức năng của các lớp, các giao thức đã được mô tả trong phần trước. Gn thường được cấu hình như các giao diện IP, các giao diện này sử dụng các giao diện vật lý riêng biệt với các địa chỉ IP riêng biệt. Việc ghép kênh các giao diện IP này được thực hiện ở mức định tuyến IP.
Giao thức đường hầm GTP của GPRS (GPRS Tunneling Protocol) được dùng để truyền bản tin báo hiệu và dữ liệu sử dụng giữa các SGSN với các GGSN, cũng như giữa các SGSN trong mạng đường trục GPRS.
UDP (User Datagram Protocol) là giao thức trao đổi bản tin báo hiệu giữa các node hỗ trợ GPRS (GSN). Gd SMS-GMSC MTP2 MTP3 SCCP TCAP MA MAP L1 MTP2 MTP3 SCCP TCAP MA MAP L1
SGSN (Serving GPRS Support Node): Nút hỗ trợ dịch vụ của GPRS .
SMS-GMSC (Gateway MSC for Short Message Service): Tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ nhắn tin ngắn.
Hình 2.8. Mặt phẳng báo hiệu GSN-GSN.
2.4.6. Giao diện Gc (GGSN – HLR)
Qua giao diện này, các phần tử GGSN và HLR có thể trao đổi thông tin báo hiệu cho nhau. Có hai cách thiết lập tuyến báo hiệu này, cụ thể là:
•Nếu giao diện báo hiệu số 7 (SS7) được cài đặt trong GGSN, giao thức MAP được sử dụng để trao đổi thông ti giữa GGSN và HLR.
•Nếu giao diện SS7 không được cài đặt trong GGSN, khi đó bất kì phần tử GSN (GPRS Support Node) nào trong cùng mạng di động mặt đất công cộng PLMN được cài đặt giao diện SS7 với vai trò GGSN có thể sử dụng việc trao đổi thông tin giữa GGSN và HLR. Hình 2.9. Mặt phẳng báo hiệu GGSN -HLR. GSN GSN L2 L1 IP UDP GTP L2 L1 IP UDP GTP Gn
GGSN (Gateway GPRS Support Node): Nút hỗ trợ cổng nối GPRS .
GTP (GPRS Tunneling Protocol): Giao thức tạo đường hầm GPRS . UDP (User Datagram Protocol): Giao thức dữ liệu gói người sử dụng.
IP (Internet Protocol): Giao thức Internet.
GGSN Gc HLR MTP2 MTP3 SCCP TCAP MA MAP L1 MTP2 MTP3 SCCP TCAP MA MAP L1
Trong đó:
+ GTP là giao thức truyền bản tin báo hiệu giữa GGSN và phần chuyển đổi giao thức GSN trong mạng đường trục GPRS.
+ Interworking là chức năng liên mạng tạo ra kết nối giữa các GTP và MAP cho báo hiệu của GGSN và HLR.
Hình 2.10. Mặt phẳng báo hiệu GGSN - HLR dùng chuyển đổi GTP và MAP.
2.4.7. Giao diện Gi (GGSN - Hệ thống cuối)
Gi là giao diện giữa GGSN và các mạng số liệu bên ngoài như mạng dữ liệu gói chuyển mạch công cộng PSPDN (Public Switched Data Network), mạng di động dữ liệu gói chuyển mạch kênh CSPDN (Circuit Switched Packet Data Network), Internet, Intranet... nhằm phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu giữa thuê bao di động và các mạng ngoài.
2.5. GIAO DIỆN VÔ TUYẾN UM
2.5.1. Cấu trúc dữ liệu trên giao diện vô tuyến Um
Giao diện vô tuyến Um là giao diện giữa máy di động và phân hệ trạm gốc BSS mà trên đó máy di động và mạng có thể trao đổi báo hiệu và dữ liệu cho nhau. Giao diện vô tuyến GPRS được phân cấp thành các lớp logic có chức năng cụ thể như sau:(hình vẽ).
GGSN SCCP UDP TCAP GTP MAP L1 L2 IP UDP GTP Interetwworking Gn G c GSN IP L2 L1 L1 MTP2 MTP3 L1 MTP2 MTP 3 SCC P MAP TCAP HLR
Để truyền dữ liệu GPRS thông qua mạng GSM, dữ liệu GPRS phải được chuẩn hóa như dạng cấu trúc của GSM, nghĩa là phải được sắp xếp thành những Burst chuẩn 148 bit trước khi điều chế GMSK để phát vào luồng không gian theo giao tiếp Um.
Hình 2.11. Giao diện vô tuyến Um.
2.5.2. Luồng dữ liệu trên giao diện vô tuyến Um
Hình 2.12. Chế độ vận hành. Trạm di động MS Mạng RF vật lý Kết nối vật lý MAC RLC LLC SNDCP Um RF vật lý Kết nối vật lý MAC RLC LLC SNDCP Lớp mạng Information Field Frame Header N-PDU đã bị phân đoạn SNDCP Header Dữ liệu Phần đầu BCS Block Header InformationField Block Header BCS Information Field Block Header BCS FollowingBlock PrimaryBlock N-PDU Lớp SNDCP SN-PDU Khung LLC Lớp LLC LớpRLC/MAC NormalBurst Lớpvậtlý NormalBurst NormalBurst Normal Burst Mã hoá kênh
Từ hình vẽ ta thấy: Các N-PDU (Network Protocol Data Unit - Khối dữ liệu giao thức mạng) được phân mảnh thành các SN-PDU (Subnetwork PDU) bởi SNDCP. Các SN-PDU sẽ được sắp xếp vào khung LLC có kích cỡ thay đổi. Sau đó, các khung LLC được phân mảnh thành các khối dữ liệu RLC, có kích cỡ phụ thuộc sơ đồ mã hoá kênh được sử dụng (CS1- CS4). Các khối dữ liệu RLC này sẽ được mã hoá, tạo thành các khối vô tuyến ở lớp vật lý. Các khối vật lý sau đó sẽ được phân nhỏ thành các cụm. Ghép xen trước khi được phát ra trên không gian theo giao diện vô tuyến.
Như vậy dữ liệu trải qua lần lượt 5 lớp như sau:
1. Lớp mạng (Network Layer)
Dữ liệu bao gồm thông tin có ích và tiêu đề được sắp xếp thành đơn vị dữ liệu giao thức mạng N-PDU.
2. Lớp SNDCP (Sub Network Dependent Convergence Protocol)
Dữ liệu cơ sở N-PDU được đưa sang lớp SNDCP thông qua các công đoạn: + Nén các thông tin điều khiển thủ tục.
+ Nén dữ liệu có ích.
+ Phân đoạn các thông tin đã nén.
Như vậy từ nhiều dữ liệu cơ sở N-PDU thông qua việc nén và phân đoạn sẽ trở thành