Công nghệ điện thoại di động phổ biến nhất thế giới GSM đang gặp nhiều cản trở và sẽ sớm được phát triển bằng những công nghệ tiên tiến hơn, hỗ trợ tối đa các dịch vụ như Internet, truyền hình...
GSM HSCSD WCDMA Data Speed 171.2Kbp s 9.6Kbps 2Mbps GPRS
Chương 2: Hệ thống thông tin di động GSM
Với công nghệ 3G, các nhà khai thác mạng có thể cung cấp nhiều dịch vụ số liệu cho các khách hàng của mình, các dịch vụ hấp dẫn này làm cho cuộc sống của họ dễ dàng hơn. Nhờ đó, các nhà khai thác mạng có thể tăng doanh thu trung bình trên một thuê bao. Ngoài ra, 3G còn tạo khả năng cho các nhà khai thác cung cấp các dịch vụ đặc biệt dành riêng cho các thuê bao của mình để có được sự trung thành của khách hàng. Lộ trình phát triển từ hệ thống tin di động GSM lên 3G sẽ được trình bày rõ trong chương 3.
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G Chương 3 Chương 3 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN TỪ GSM LÊN 3G LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN TỪ GSM LÊN 3G 3.1. Giới thiệu
Hệ thống thông tin di động GSM cung cấp các dịch vụ thoại và số liệu trên cơ sở chuyển mạch kênh băng thông hẹp. Do đó tốc độ truyền thấp, 13 kbit/s với truyền thoại và 9,6 kbit/s với truyền số liệu. Tốc độ này không đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng về các dịch vụ mới như truyền số liệu tốc độ cao, điện thoại có hình, truy cập Internet tốc độ cao từ máy di động và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện khác. Vì những lí do trên, các nhà khai thác GSM đang từng bước nâng cấp mạng GSM lên một hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3. Con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng. Trên thị trường châu Âu, W-CDMA được gọi là hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Trong cấu trúc dịch vụ 3G cần có băng thông rất lớn và như thế cần nhiều phổ tần hơn. Tuy nhiên việc loại bỏ hẳn công nghệ đang dùng để tiếp cận ngay mạng 3G là rất tốn kém về mặt kinh tế. Vì vậy họ phải chọn giải pháp nâng cấp mạng GSM qua bước trung gian 2,5G để tạm thời đáp ứng nhu cầu của người sử dụng cũng như chuẩn bị cơ sở hạ tầng kỹ thuật sau đó mới tiến lên 3G. Nói chung 2,5G bao gồm một hoặc tất cả các công nghệ sau:
- Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD) - Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS)
- Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GMS (EDGE) Lộ trình nâng cấp GSM lên W-CDMA như sau:
HSCSD (High Speed Circuit Switched Data): Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao.
GPRS (General Packet Radio Service): Dịch vụ vô tuyến gói chung.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM.
GSM HSCSD GPR
S EDGE
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access): Đa truy cập phân mã băng rộng.
Ta sẽ lần lượt tìm hiểu từng giai đoạn của quá trình phát triển của GSM lên 3G trong các phần tiếp theo một cách cụ thể.
3.2. Công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD
GSM chỉ hỗ trợ các dịch vụ số liệu với tốc độ cực đại mà một khe thời gian có thể cung cấp là 9,6 kbit/s. Để hỗ trợ tốc độ số liệu cao hơn cho GSM, MS phải sử dụng nhiều khe thời gian. Công nghệ HSCSD sử dụng nguyên tắc này.
Công nghệ HSCSD cho phép nâng cao khả năng truyền số liệu trên mạng GSM bằng cách cấp phát nhiều khe thời gian hơn cho người sử dụng. HSCSD phối hợp 4 kênh thoại GSM 14,4 kbit/s thành một kênh 57,6 kbit/s. Đối với dịch vụ số liệu thì tốc độ tối đa là 64 kbit/s đạt được với 4 khe thời gian. Dữ liệu truyền trong dịch vụ HSCSD được hình thành dưới dạng các luồng song song để đưa vào các khe thời gian khác nhau và chúng sẽ được kết hợp lại tại đầu cuối. Tất cả các khe thời gian sử dụng trong một kết nối HSCSD phải thuộc về cùng một sóng mang. Việc cấp phát các khe thời gian phụ thuộc vào thủ tục cấp phát khe thời gian.
Công nghệ HSCSD được triển khai dựa trên cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng GSM, chỉ cần nâng cấp phần mềm hiện có mà không cần lắp đặt thêm các phần tử mạng mới. Nó cho phép cấp phát tài nguyên không đối xứng ở giao diện vô tuyến. Tuy nhiên do vẫn sử dụng chuyển mạch kênh nên hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến của HSCSD không cao.
Cấu trúc hệ thống HSCSD:
Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống HSCSD
TE (Terminal Equipment): Thiết bị đầu cuối MT (Mobile Terminal): Máy di động đầu cuối
TE MT BTS MSC IWF PDN PLMN ISDN PSPDN TRAU TAF BSC Kênh 64 kbit/s Kênh nx 16 kbit/s nx các kênh toàn tốc nx khe thời gian/khung TDMA
Giao diện vô tuyến
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
TAF (Terminal Adaptation Function): Chức năng thích ứng đầu cuối IWF (Interworking Function): Chức năng kết nối mạng
- Chức năng thích ứng đầu cuối TAF:
Đóng vai trò tiếp nhận số liệu của thiết bị đầu cuối TE đưa tới và chia chúng vào các khe thời gian đã được chọn trước. Mỗi khe thời gian mang số liệu với các tốc độ được chuẩn hóa 1,2 kbit/s; 2,4 kbit/s; 4,8 kbit/s; 9,6 kbit/s; 14,4 kbit/s.
- MT và giao diện vô tuyến:
Số liệu từ TAF đưa tới đầu cuối di động MT, tại đây mỗi khe thời gian được mã hóa kênh. Đầu ra sau mã hóa là luồng số liệu tốc độ 22,8 kbit/s cho mỗi khe thời gian và nó được chuyển tới giao diện vô tuyến.
- Trạm thu phát gốc BTS:
BTS tiếp nhận luồng số liệu từ giao diện vô tuyến, nó thực hiện giải mã cho mỗi khe thời gian để thu được luồng số liệu có tốc độ phù hợp với khung TRAU (16 kbit/s). Sau đó luồng số liệu được chuyển tới khối TRAU đặt tại bộ điều khiển trạm gốc BSC. Các khung TRAU 16 kbit/s được gửi tới BSC thông qua giao diện Abis.
- Giao diện Abis:
Các khung TRAU 16 kbit/s được gửi tới BSC thông qua giao diện Abis.
- Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU:
TRAU tiếp nhận các khung số liệu 16 kbit/s từ giao diện Abis và nó định dạng lại thông tin của mỗi luồng số liệu thành dạng A - TRAU để truyền đi trên giao diện A.
- Giao diện A:
Cho phép chứa được 4 khung A-TRAU tốc độ 16 kbit/s từ một người sử dụng đưa đến. Các khung này được ghép lại với nhau để phát đi trên một đường 64 kbit/s.
- Trung tâm chuyển mạch di động MSC và các khối IWF:
MSC tiếp nhận các khung A-TRAU của đường kết nối 64 kbit/s và định tuyến chúng thông qua IWF. Sau khi tiếp nhận, khối IWF lấy ra các thông tin số liệu trong A-TRAU và kết hợp chúng thành những luồng số liệu ghép trước khi chuyển tới các modem của mình. Modem tiếp nhận số liệu và định tuyến chúng qua mạng PSTN
Chương 3: Lộ trình phát triển từ GSM lên 3G
tới các modem đích và các thiết bi đầu cuối số liệu DTE (Data Terminal Equipment) ở nơi khác.
3.3. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS3.3.1 Giới thiệu GPRS 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.
+ 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