2.4.1 Mạng GSM
W-CDMA được phát triển lên từ hệ thống GSM nên trước khi nghiên cứu về quá trình phát triển từ GSM lên W-CDMA thì cần có cái nhìn tổng quát lại về mạng GSM.
Mạng di động mặt đất công cộng GSM gồm có: trạm di động MS, phân hệ chuyển mạch mạng NSS với nhiệm vụ điều khiển cuộc gọi, phân hệ trạm cơ sở BSS với nhiệm vụ điều khiển đường truyền vô tuyến và phân hệ quản lí mạng NMS với nhiệm vụ khai thác và bảo dưỡng mạng.
- MS ( Mobile Station – Trạm di động): Thuê bao sủ dụng MS để gọi và nhận các cuộc gọi. MS gồm có hai thực thể chức năng riêng biệt là thiết bị di động ME và SIM chứa dữ liệu của thuê bao. MS giao tiếp với mạng thông qua giao diện vô tuyến Um.
- Phân hệ trạm cơ sở BSS với nhiệm vụ điều khiển đường truyền vô tuyến gồm: + BTS (Base Transceiver Station – Trạm gốc): thực hiện tất cả các chức năng nhận và truyền liên quan đến giao diện vô tuyến GSM ở cấp độ xử lí tín hiệu. BTS thực
GSM HSCSD GPRS EDGE W-CDMA (UMTS)
hiện chức năng thu phát vô tuyến trực tiếp đến các thuê bao di động MS thông qua giao diện vô tuyến Um, bao gồm một hệ thống anten, máy phát, máy thu và thiết bị báo hiệu số.
+ BSC (Base Station Controller – Khối điều khiển trạm gốc): thực hiện chức năng quản lí giao diện vô tuyến gồm có định vị các kênh vô tuyến dùng cho thiết lập cuộc gọi, xác định khi nào cần chuyển giao và xác định BTS thích hợp
+ TRAU (Transcoder Rate Adaptor – Khối thích ứng tốc độ): có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thoại của mạng GSM thành dạng mã dùng trong mạng điện thoại cố định. TRAU có thể đặt cùng vị trí với BSC hoặc MSC. Nhờ có TRAU mà tín hiệu 16 kbit/s được chuyển đổi thành 64 kbit/s
Hình 2.2 Cấu trúc mạng GSM
- Phân hệ chuyển mạch mạng NSS với nhiệm vụ điều khiển cuộc gọi, gồm có: + MSC (Mobile Service Switching Centre - Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động): thực hiện chức năng liên quan đến việc định tuyến các cuộc gọi đến và từ các thuê bao di dộng. MSC ngoài việc kết nối với các phần tử của mạng di động còn kết nối với các phần tử của mạng khác như mạng thoại cố định PSTN, mạng ISDN, mạng truyền số liệu gói PSDN và các mạng PLMN khác thông qua GMSC
+ GMSC (Gateway MSC - Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng): các nhà khai thác mạng có thể lựa chọn một hoặc một số MSC đóng vai trò như GMSC. GMSC cung cấp các giao diện giữa PLMN và các mạng ngoài. Trong trường hợp có một cuộc gọi đến từ một mạng khác, GMSC sẽ liên lạc với cơ sở dữ liệu mạng để đảm bảo cuộc gọi đến đúng MS.
+ VLR(Visitor Location Register - Thanh ghi dự liệu khách): chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao di dộng trong vùng phục vụ của nó.
+ HLR (Home Location Register - Thanh ghi dữ liệu chủ ) : chứa đầy đủ các thông tin liên quan đến việc đăng kí dịch vụ và vị trí của các thuê bao di động. Việc định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động thực hiện thông qua việc quản lí các thông tin địa chỉ dữ liệu khách VLR đăng kí trong HLR.
+ EIR (Equipment Identity Register - Thanh ghi nhận dạng thiết bị): được sử dụng để quản lí các máy di động.
+ AuC (Authentication Center - Trung tâm nhận thực): dùng để lưu trữ thông tin liên quan đến các tính năng an ninh của GSM như để nhận thực Sim và mã hoá thoại, dữ liệu hay tín hiệu.
- Phân hệ quản lí mạng NMS với nhiệm vụ khai thác , quản lí và bảo dưỡng mạng GSM.
- VAS ( Value Added Service platform – Nền tảng Dịch vụ giá trị gia tăng) : đây là nền tảng cho việc cung cấp các loại dịch vụ xác định trong GSM ( Trung tâm dịch vụ bản tin ngắn, hệ thống hộp thư thoại)
- IN (Intelligent Network – Mạng thông minh) : nền tảng cho việc tạo ra và cung cấp các dịch vụ phụ thêm.
- Giao diện vô tuyến Um cung cấp các phương tiện để MS có thể liên lạc với các BTS của một mạng GSM mà nó di chuyển trong vùng phủ sóng. Giao diện vô tuyến của GSM 900 bao gồm 2 băng tần song công 25 MHz cho cả đường lên và đường xuống (890 -915 MHz/935 -960 MHz). Trong hệ thống GSM công nghệ đa truy nhập FDMA được ứng dụng cho mỗi sóng mang có độ rộng băng tần 200 KHz. Về mặt thời gian, mỗi sóng mang được ghép vào 8 khe thời gian với độ dài là 557 ms cho mỗi khe thời gian tuân theo công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA. Mỗi khung TDMA gồm 8 khe thời gian với độ dài là 4,615ms. Mỗi đa khung TDMA gồm 26 khung TDMA với độ dài 120ms. Mỗi siêu khung gồm 51 đa khung TDMA với độ dài 1326ms. Mỗi siêu siêu khung TDMA gồm 2048 siêu khung TDMA. Thông tin về báo hiệu và số liệu của người sử dụng được bảo vệ và chống lỗi trên giao diện vô tuyến bằng việc sử dụng mã xoắn và ghép xen. Số liệu được mã hoá khối và điều chế sử dụng khoá dịch tối thiểu Gauss (GMSK) với tốc độ kí tự điều chế là 271 kbit/s. Ngoài ra trong GSM còn có các giao diện khác như giao diện Abis giữa BTS và BSC, giao diện A giữa BSC và MSC, giao diện B giữa MSC và VLR…..
2.4.2 Số liệu chuyển mạch tốc độ cao HSCSD
Dịch vụ HSCSD là sự mở rộng một cách tự nhiên cho dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh được cung cấp ở thời kì đầu của GSM. Dịch vụ này không yêu cầu thay đổi đối với giao diện lớp vật lý giữa các thành phần mạng với nhau. ở các lớp cao hơn, MS và mạng cung cấp thêm các chức năng yêu cầu để ghép và tách các dữ liệu của người sử dụng thành một số kênh lưu lượng để truyền đi trên cả giao diện Abis và giao diện vô tuyến. Ở lớp quản lí tài nguyên vô tuyến cũng có thêm các chức năng để điều khiển tình huống mà ở đó số kênh lưu lượng khác nhau được kết hợp vào cùng một kết nối. Ví dụ khi một người sử dụng HSCSD được chuyển giao giữa 2 cell, phải có một cơ cấu đảm bảo các kênh lưu lượng đang dùng phải được cung cấp ở cell mới trước khi xuất hiện chuyển giao. Một kết nối HSCSD tất nhiên vẫn bị giới hạn bởi mạch 64 kbit/s đơn ở giao diện A.
Mạng GSM cung cấp HSCSD có cấu trúc tổng quan như sau:
Hình 2.3 Cấu trúc mạng GSM cung cấp HSCSD
Hầu hết các chức năng của dịch vụ này được đặt ở IWF (Interworking Funtion – chức năng kết nối mạng) của tổng đài MSC và ở chức năng TAF ( Terminal Adaptation Function – chức năng thích ứng đầu cuối) của MS. Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này, kênh tốc độ cao chứa một số kênh cao ở giao diện vô tuyến. Các kênh con này được kết hợp lại thành một luồng số ở IWF và TAF.
Một tính năng đặc biệt của HSCSD là nó hỗ trợ cả kết nối đối xứng lẫn không đối xứng. ở chế độ HSCSD đối xứng, số khe phát từ BTS đến MS bằng số khe phát từ MS đến BTS đối với mỗi người sử dụng. ở chế độ HSCSD không đối xứng số khe phát từ BTS đến MS lớn hơn số khe phát theo chiều ngược lại. chế độ HSCSD không đối xứng thường được sử dụng ở Internet khi cần nhiều khe để truyền nhanh số liệu ở đường xuống.
Số liệu chuyển mạch tốc độ cao HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) là phương thức đơn giản nhất để nâng cao tốc độ bằng cách cấp phát nhiều khe thời gian hơn cho người sử dụng thay vì một khe thời gian như trước đây. Trong các ứng dụng thương mại hiện nay thông thường sử dụng tối đa 4 khe thời gian mà mỗi khe thời gian có thể đạt đến tốc độ 9,6 kbit/s hoặc 14,4 kbit/s. Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ tốc độ lên đến 8x14,4 kbit/s, như vậy có thể đạt đến tốc độ trên 100 kbit/s. Đây là cách không tốn kém nhằm tăng dung lượng dữ liệu chỉ bằng cách nâng cấp phần mềm của mạng trong điều kiện các máy tương thích HSCSD. Nhưng phương thức này có nhược điểm lớn nhất là cách sử dụng tài nguyên vô tuyến bởi đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định việc sử dụng các khe thời gian một cách liên túc, thậm chí ngay cả khi không có tín hiệu trên đường truyền.
2.4.3 Dịch vụ vô tuyến gói đa năng GPRS
Nhiều dịch vụ không cần các luồng dữ liệu trên giao diện vô tuyến liên tục theo hai hướng. Ví dụ như truy cập Web. Sử dụng kết nối chuyển mạch kênh cho các dịch vụ này khiến việc sử dụng các tài nguyên vô tuyến không hiệu quả bởi vì thuê bao chỉ dùng một lượng nhỏ thời gian truyền trong khi lại chiếm giữ cả một kênh thời gian trong lúc truy cập. Điều này được khắc phục bởi các kết nối gói định hướng. Các dịch vụ này được biết đến dưới cái tên dịch vụ vô tuyến gói đa năng GPRS .
GPRS có cấu trúc logic như hình 2.4. Đây cũng chính là cấu trúc của một mạng GSM cung cấp GPRS. Các dịch vụ này yêu cầu thêm 2 thành phần là GGSN ( Gateway GPRS Support Node – Nút cung cấp GPRS cổng và SGSN (Serving GPRS Support Node - Nút cung cấp GPRS phục vụ).
- GGSN là thành phần mới so với hệ thống GSM và là một nút căn bản của hệ thống GPRS. Nó cung cấp giao diện cổng phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu giữa mạng dữ liệu gói PDN và mạng GSM có cung cấp GPRS. Nó chứa đủ các thông tin để định tuyến các gói dữ liệu đến đến SGSN đang phục vụ MS chỉ ra và nó được kết nối đến mạng ngoài dựa trên điểm chuyển tiếp Gi. GGSn được kết nối với SGSN theo giao thức IP dựa trên mạng trục GPRS. GSN kết nối với HLR thông qua giao diện Gc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- SGSN là thành phần mới so với hệ thống GSM và là một nút căn bản của hệ thống GPRS. SGSN phục vụ cho tất cả các thuê bao định vị tại vùng quản lí của nó. Nó hỗ trợ GPRS phụ trách việc phân phát và định tuyến các gói số liệu giữa máy cầm tay MS và các mạng truyền số liệu bên ngoài cũng như là việc đăng kí cho máy di động GPRS mới xuất hiện trong vùng phục vụ của nó.
Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống GPRS
SGSN nối với GGSN cùng mạng PLMN với nó qua giao diện Gn. SGSN nối với GGSN khácPLMN với nó qua giao diện Gp. Hai giao diện này khá giống nhau nhưng Gp cung cấp thêm các chức năng an ninh cần thiết cho việc chuyển thông giữa các PLMN. SGSN nối với MSC/ VLR qua giao diện Gs. GSN nối với HLR qua giao diện Gr. SGSN nối với EIR qua giao diện Gf. SGSN nối với SMS-GMSC (Dịch vụ bản tin ngắn –GMSC) và SMS-IWMSC (Dịch vụ bản tin ngắn – liên mạng MSC) qua giao diện Gd. cho phép SMS-GSM được vận chuyển trên kênh GPRS thay vì SDCCH và SACCH. Các nút cung cấp GPRS của PLMN được liên kết với nhau bằng giao thức Internet IP dựa trên mạng xương sống.
Ngoài ra đối với các thành phần hiện có cần có những sửa đổi và nâng cấp như sau: - Để thuê bao có thể sử dụng dịch vụ GPRS thì thuê bao cần phải sử dụng loại thiêt bị MS có hỗ trợ chức năng GPRS .
- Để thực hiện được những chức năng của mạng GPRS thì hệ thống trạm gốc BSS của GSM đòi hỏi cần phải được nâng cấp. Việc nâng cấp bao gồm nâng cấp về phần mềm cho các trạm thu phát vô tuyến và các nút điều khiển trạm gốc. Ngoài ra một khối phần cứng mới sẽ được đưa vào BSS để quản lí vấn đề chuyển dữ liệu gói giữa các thiết bị của người sử dụng trên mạng trục của hệ thống GPRS. Đó là khối điều khiển dữ liệu gói PCU với chức năng đảm bảo cho các gói được truyền đi có một kích thước thích hợp, cấp phát kênh vô tuyến và đo chất lượng dịch vụ.
- Đối với MSC/VLR, nó được sử dụng cho việc đăng kí và liên lạc với các thuê bao nhưng không giữ vai trò gì trong việc định tuyến dữ liệu GPRS. Một MSC có thể
được kết nối với một hoặc nhiều SGSN tuỳ thuộc vào lưu lượng thông tin. Trong hệ thống GPRS, 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.
Hình 2.5 Sơ đồ khối cấu trúc chi tiết của mạng GSM có cung cấp GPRS
Dịch vụ vô tuyến gói đa năng GPRS ( General Packet Radio Service) hỗ trợ dịch vụ số liệu gói tốc độ cao cho GSM với tốc độ dữ liệu của nó có thể lên tới 115,2 kbit/s bằng cách dùng 8 khe thời gian. GPRS khác HSCSD ở chỗ nó là hệ thống chuyển mạch gói, do đó nó không sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi nó có số liệu cấp phát như vậy là nhiều người sử dụng có thể sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến. GPRS đặc biệt thích hợp với các ứng dụng không cần thời gian thực như email, lướt web. Triển khai hệ thống GPRS thì tốn kém hơn hệ thống HSCSD vì mạng này cần các thành phần mới cũng như cần sửa đổi các thành phần hiện có.
2.4.4 Tốc độ dữ liệu nâng cao cải tiến cho GSM (EDGE)
Bước tiếp theo là cải tiến GSM thành Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE) tăng tốc độ dữ liệu lên tới 384 kbit/s với 8 khe thời gian. Thay vì 14,4 kbit/s cho mỗi khe thời gian, EDGE đạt tới 48 kbit/s cho mỗi khe thời
gian bằng cách EDGE sử dụng một phương pháp điều chế mới là 8PSK. EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với các mạng GSM vì nó chỉ yêu cầu một phần mềm nâng cấp trạm gốc. Nó không thay thế phương pháp điều chế khoá dịch tối thiểu Gaussian (GMSK) mà GSM sẽ sử dụng cả nó và GMSK. Các thuê bao có thể tiếp tục sử dụng máy di động cũ của mình nếu không cần được cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn. Nếu EDGE được sử dụng cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng cấp (EGPRS) còn sự kết hợp EDGE và HSCSD được gọi là ECSD.
Hình 2.6 Cấu trúc hệ thống GPRS có sử dụng EDGE
Mục đích ban đầu của EDEG là nâng cao tốc độ dữ liệu của GSM bằng các phương pháp điều chế nâng cao nhưng do điều này làm tăng phạm vi dịch vụ nên EDGE đã được xem như là một hệ thống 3G. EDGE được dùng làm bước chuyển tiếp sang 3G hoặc dùng làm công nghệ để cung cấp tính liên tục dịch vụ từ một ô 3G sang GSM. Do đó mặc dù các hệ thống 3G thực sự mang lại nhiều nhiều các dịch vụ đa phương tiện mới nhưng EDEG có thể là một lựa chọn tốt cho các hệ thống 3G trong những khu vực xác định cho các nhà khai thác không có bản quyền 3G .
2.4.5 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 W-CDMA
Bước phát triển tiếp theo là lên đến hệ thống 3G W-CDMA. Với hệ thống này sẽ có một giao diện vô tuyến mới là giao diện vô tuyến băng thông rộng WCDMA sử dụng băng tần 5MHz để đạt được tốc độ dữ liệu lên tới 2 Mbit/s. Đây là hệ thống thích hợp hơn cho việc cung cấp dữ liệu chuyển mạch gói. Mạng này sẽ liên kết với mạng GSM, cụ thể là : Thứ nhất, nó sẽ sửa các giao diện vô tuyến GSM để có thể truyền phát
các thông tin của hệ thống CDMA, mạng W-CDMA cũng truyền được dữ liệu của GSM. Thứ hai, nó có khả năng lập các 2G MSC/VLR để điều khiển truy nhập vô tuyên băng rộng UTRAN. Thứ ba, các thành phần miền chuyển mạch kênh CS có thể điều khiển các thuê bao 2G và 3G. Về dịch vụ, lúc đầu 3G sẽ cung cấp các dịch vụ giống như 2G nhưng về sau các dịch vụ này sẽ chuyển sang miền chuyển mạch gói PS . Đồng thời mạng có xu hướng, tách biệt các kết nối trong điều khiển và dịch vụ và chuyển đổi