1. Nguyên lý của GPRS
3.2 Các thành phần cơ bản của mạng GPRS
GPRS không làm thay đổi cấu trúc mạng GSM, nó chỉ thêm vào mạng một vài thành phần mới hỗ trợ GPRS.
Hình 28: Các giao diện và điểm chuẩn trong mạng
3.2.1. Nút hỗ trợ trong GPRS
Một nút hỗ trợ GPRS (GSN) có chức năng theo yêu cầu để hỗ trợ cho GPRS.Trong một mạng PLMN,có thể có nhiều nút hỗ trợ khác nhau. Tất cả các GSN này đợc nối với nhau theo giao thức IP dựa trên mạng xơng sống GPRS. Với mạng xơng sống này , các GSN sẽ đóng gói các gói PDP và truyền chúng theo kiểu (Tunnel) bằng giao thức xuyên hầm (GTP).
• SGSN(Serving GPRS Support Node)
Nút hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói di động. SGSN là bộ phận không thể thiếu đợc trong các mạng GSM. Nó cung cấp dịch vụ chuyển mạch gói di động. SGSN không chỉ định tuyến các gói số liệu cho tất cả các thuê bao GPRS đang hoạt động trong vùng của nó mà còn thực hiện việc đăng kí, quản lí di động (attach, Detach, quản lí vị trí), quản trị phiên nhận thực, tính cớc…đối với các máy di động này.
Các chức năng chính của SGSN:
Chức năng nhận thực. Chức năng quản lý di động. Chức năng quản trị phiên. Chức năng định tuyến. Chức năng bảo mật. Chức năng nén dữ liệu. Chức năng tính cớc.
SGSN hỗ trợ giao diện chuẩn với SMS-GMSCvà SMS-IWMSC.
Cung cấp khả năng tơng tác với mạng GSM trong bối cảnh phải sử dụng trung tài nguyên.
• GGSN(Gateway GPRS Support Node)
Về mặt hệ thống, GGSN có vai trò tơng tự nh GMSC trong GSM. Cung cấp một giao diện cổng phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu giữa các thuê bao với các mạng số liệu gói bên ngoài(PDNs). Nó thực hiện việc chuyển đổi các gói GPRS từ SGSN sang định dạng giao thức số liệu PDP thích hợp(IP or X.25) và gửi chúng đến mạng số liệu gói tơng ứng.theo hớng ngợc lai thì địa chỉ PDP của các gói dữ liệu đến đợc chuyển đổi sang địa chỉ GSM của thuê bao đích.GGSN cũng thực hiện chức năng nhận thực và tính cớc…
• Các chức năng chính của GGSN:
Cung cấp giao diện giữa mạng GPRS với các mạng dữ liệu ngoài.Có chức năng nh một bộ định tuyến kết nối giữa các thuê bao với mạng số liệu bên ngoài. Cung cấp khả năng chuyển đổi khuôn dạng các gói dữ liệu, địa chỉ cấc gói dữ liệu đợc trao đổi.
• Chức năng Firewall:GGSN kết nối với các mạng IP bên ngoài. Các lựa chọn, lọc bỏ gói khác nhau đợc xây dựng nhằm tránh sự xâm nhập từ bên ngoài hoặc bảo vệ các dịch vụ khỏi bị tấn công.
• Chức năng bảo mật: tăng cờng tính bảo mật cho IP backbone,GGSN có khả năng bảo mật IP.
• Chức năng quản lí di động.
• Chức năng tính cớc giống nh chức năng tính cớc của của SGSN, bằng cách đếm các gói đợc truyền qua để có thể tính chính xác cớc cho mỗi thuê bao.
• Sự kết hợp của SGSN và GGSN:
Các chức năng của SGSN và GGSN có thể đợc kết hợp trong cùng một Node vật lí hoặc phân ra trong các Node khác nhau. Cả hai đều có chức năng định tuyến và chúng có thể đấu nối với Router của IP.
Khi GGSN & SGSN trong các mạng PLMN khác nhau , chúng đấu nối với nhau thông qua giao diện Gp. Giao diện Gp cũng có các chức năng giống giao diện Gn. (Gn là giao diện giữa các GSN trong cùng một PLMN) nhng ngoài ra còn có thêm các chức năng bảo mật đợc yêu cầu khi trao đổi thông tin giữa các PLMN khác nhau, các chức năng này đợc đa ra dựa trên các thoả thuận chung giữa các nhà khai thác.
3.2.2. Các mạng trục GPRS
Có hai loại mạng trục GPRS: Intra-PLMN Backbone networkvà Inter-PLMN Backbone network.
Mạng Intra - PLMN backbone là mạng IP liên kết các GSN trong cùng một PLMN.
Mạng Inter – PLMN backbone là mạng liên kết các GSN của các mạng PLMN khác nhau (liên kết các GPRS provider). Cần có sự thoả thuận Roaming giữa hai nhà cung cấp để lắp đặt mạng trục này.
Hình 29 :Mạng Inter-PLMN backbone Và Intra-PLMN backbone.
Mạng Intra –PLMN backbone là một mạng IP riêng của nhà cung cấp GPRS, Nó chỉ dành cho các báo hiệu và số liệu GPRS. Một mạng IP riêng laf một mạng trong đó có một số cơ chế điều khiển truy nhập đợc áp dụng nhằm đạt đợc một mức độ đảm bảo theo yêu cầu. Mạng IP riêng sử dụng địa chỉ IP riêng mà không thể truy nhập từ mạng bên ngoài.
Hai mạng Intra-PLMN backbone đợc kết nối thông qua giao diện Gp có sử dụng Border Gaterway và hình thành một mạng Inter-PLMN Backbone.Border Gaterway có chức năng đảm bảo an ninh mạng cho riêng Intra-PLMN Backbone chống lại sự tấn công và những ngời sử dụng bất hợp pháp.
3.2.3.Cổng giao tiếp biên BG(Border Gaterway )
Chức năng của Border Gaterway không đợc định nghĩa trong chỉ định của GPRS. Nhiệm vụ chính của Border Gaterway là định tuyến và đảm bảo thông tin một cách an toàn giữa các PLMN khác nhau qua mạng Inter-PLMN backbone.
3.2.4. Phần BSS
Phần BSS cung cấp tất cả chức năng điều khiển và truyền dẫn thông tin phần vô tuyến của mạng bao gồm:
• Khối điều khiển dữ liệu gói PCU (Packet Control Unit).
• Trạm điều khiển gốc BSC (Base Station Controler).
•Trạm gốc thu phát BTS (Base Tranceiver Station).
3.2.5. Bộ ghi định vị th ờng trú HLR và trung tâm nhận thực AUC.
HLR là cơ sở dữ liệu chứa các thông tin về thuê bao thuộc phạm vi quản lý của nó. HLR chứa các thông tin của cả dịch vụ chuyển mạch kênh và các dịch vụ chuyển mạch gói.
SGSN có khả năng truy nhập tới HLR thông qua giao diện Gr và GGSN có thể truy cập với giao diện Gc.
3.2.6. Thanh ghi nhận thực thiết bị EIR
EIR vẫn thực hiện chức năng nh trong hệ thống GSM. GGSN có khả năng truy nhập tới ẻI bằng giao diện Gf để lấy thông tin về IMEI của máy di động đang thực hiện đăng kí với mạng.
3.2.7. MSC/VLR
MSC/VLR có thể đợc tăng cờng để thực hiện hiệu quả hơn việc liên hệ giữa dịch vụ chuyển mạch gói GPRS và dịch vụ chuyển mạch kênh GSM. Ví dụ nh việc cập nhật vị trí , việc thực hiện thủ tục Attachment đợc kết hợp giữa dịch vụ GPRS và dịch vụ không có GPRS.Ngoài ra , các bản tin tìm gọi của các cuộc gọi chuyển mạch kênh GSM cũng có thể thực hiện đợc thông qua SGSN. Để thực hiện điều này, Giao diện kết nối đợc hình thành giữa SGSN và MSC/VLR.
MSC/VLR đợc sử dụng cho việc đăng ký và liên lạc với thuê bao nhng không đóng vai trò gì trong việc định tuyến dữ liệu GPRS.
Trong hệ thống GPRS thì MSC/VLR không đợc dùng cho thủ tục nhận thực thuê bao nh trong GSM, mà thay vào đó là HLR. Do đó SGSN sẽ nhận bộ ba thông số
`Tin nhắn trong mạng chuyển mạch có thể thực hiện hiệu qủa hơn thông qua SGSN vì có thể kết hợp với các chức năng mở rộng của GPRS . SMS-GMSC và SMS-IWMSC đợc nối với SGSN thông qua giao diện Gd và nó cho phép các máy di động của GPRS gửi hay nhận tin nhắn thông qua các kênh vô tuyến GPRS.
3.2.8. Thiết bị đầu cuối GPRS(GPRS-MS)
Trạm di động đầu cuối GPRS có thể khai thác theo một trong ba kiểu.Kiểu hoạt động của MS phụ vào các dịch vụ và tiện ích mà MS đăng ký với mạng.
Kiểu hoạt động ở lớp A:
Các máy di động thuộc lớp A đợc khai báo cho cả hai dịch vụ GPRS vàGSM. Nó có thể sử dụng cả hai dịch vụ chuyển mạch kênh và gói đồng thời.tức là đồng thời có thể sử dụng dịc vụ thoại và nhận cấc gói dữ liệu GPRS.
Kiểu hoat động lớp B:
Các máy di động thuộc lớp B đợc khai báo cả hai dịch vụ GSM &GPRS. Nó không thể sử dụng cả hai dịch vụ một cách đồng thời.Nếu cuộc gọi từ GPRS đang thực hiện thì máy di động không thể thực hiện đợc cuộc gọi GSM và ngợc lại.Nó có thể sử dụng cả hai dịch vụ theo cạch liên tiếp nhau.
Máy di động có thể nhận đợc tin nhắn của dịch vụ chuyển mạch kênh trong khi đang truyền tải dữ liệu dạng gói. Khi đó máy di động có thể tạm dừng việc truyền tải dữ liệu trong khoảng thời gian kết nối chuyển mạch kênh, khi kết nối này kết thúc, máy đầu cuối di động sẽ tự đông tiếp tục truyền tải dữ liệu dạng gói.
Kiểu hoạt đông lớp C.
Các máy di động lớp C có chức năng của của cả GSM và GPRS nhng tại một thời điểm chỉ sử dụng đợc một trong hai chức năng đó.Vì vậy ,nếu máy di động đang Attach với mạng GPRS thì nó sẽ Detach khỏi mạng GSMvà sẽ không thực hiện hay nhận đợc bất cứ cuộc gọi GSM nào và ngợc lại.
Hiện nay trên thị trờng đang phổ biến loại điện thoai lớp B do nhiều nhà cung cấp thiết bị đầu cuối cung cấp nh : Samsung,Nokia, Siemen,Alcatell…
Phần IV:
Công nghệ 3G WCDMA / IMT 2000
1. Nguyên lý CDMA
1.1.Nguyên lí trải phổ CDMA
Là các hệ thống số đợc thiết kế để tận dụng dung lợng một cách tối đa. Theo nguyên lý dung lợng kênh truyền của Shannon đợc mô tả trong hình 2.1, rõ ràng dung lợng kênh truyền có thể đợc tăng lên bằng cách tăng băng tần kênh truyền.
C = B. Log2 (1 + S/ N) Với B: băng thông (Hz)
C: dung lợng kênh (Bit/s)
S/ N: công suất tín hiệu/công suất tạp âm.
Vì vậy, đối với một tỉ số S/ N cụ thể (SNR), dung lợng tăng lên nếu băng thông sử dụng để truyền tăng. CDMA là công nghệ thực hiện trải tín hiệu gốc thành tín hiệu băng rộng trớc khi truyền đi. CDMA là kĩ thuật đa truy nhập trảI phổ (SSMA). tỉ số độ rộng băng tần truyền thực với đọ rộng băng tần thông tin cần truyền đợc gọi là độ lợi xử lý (Gp) hay là hệ số trảiphổ.
Gp = Bt/ Bi hoặc Gp = B/ R Trong đó Bt: Độ rộng băng truyền thực tế
Bi: Độ rộng băng tần của tín hiệu mang tin.. B : Độ rộng băng tần thực tế.
R : Tốc độ thông tin.
Mối quan hệ giữa tỷ số S/N và tỉ số Eb/ I0, trong đó Eb là năng lợng trên một bit thông tin, và I0 là mật độ phổ năng lợng tạp âm, thể hiện trong công thức sau.
S/N = E*R/ I0*B = Eb/ I0* 1/Gp
Vì thế, với một yêu cầu Eb/ I0 xác định, độ lợi xử lí càng cao, thì tỉ số S/N yêu cầu càng thấp. Trong hệ thống CDMA đầu tiên, IS-95, băng thông truyền dẫn là 1.25Mhz. Trong hệ thống WCDMA, băng thông truyền khoảng 5MHz. Trong CDMA. Mỗi ngời sử dụng đợc gán một chuỗi mã duy nhất (mã trải phổ) để trải tín hiệu thông tin thành một tín hiệu băng rộng trớc khi truyền đi. Bên thu biết đợc chuỗi mã của ngời sử dụng đó và giảI mã vvà khôI phục tín hiệu gốc.
1.2. Kĩ thuật trải phổ vầ giải trải phổ:
Trải phổ và giải trải phổ là hoạt động cơ bản nhất trong các hệ thống DS – CDMA. Dữ liệu ngời dùng (chuỗi bit) đợc điều chế BPSK có tốc độ là R. Hoạt động trải phổ chính là nhân mỗi bit dữ liệu của ngời sử dụng với một chuỗi n bit mã, đợc gọi là các chip. ở đây ta lấy n = 8 thì hệ số trải phổ là 8, nghĩa là thực hiện điều chế trải phổ BPSK. Kết quả tốc độ dữ liệu là 8xR và có dạng xuất hiện ngẫu nhiên (giả nhiễu) nh là mã trải phổ. Việc tăng tốc dữ liệu lên 8 lần đáp ứng việc mở rộng (với hệ số là 8 ) phổ của tín hiệu dữ liệu ngời sử dụng đợc trải ra. Tín hiệu băng rộng này sẽ đợc truyền qua các kênh vô tuyến đến đầu cuối thu.
Hình 30: Quá trình tải phổ và giải trải phổ
Trong quá trình giải trải phổ, các chuỗi chip / dữ liệu của ngời sử dụng ttrải phổ đợc nhân từng bit với cùng các chip mã 8 đã đợc sử dụng trong quá trình ttrải phổ. Nh vậy tín hiệu của ngời sử dụng đợc khôi phục hoàn toàn.
1.3. Kỹ thuật truy nhập CDMA :
Một mạng thông tin di động là một hệ thống trong đó một lợng lớn ngời sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên vật lí chung để truyền và nhận thông tin . Dung l- ợng đa truy nhập là một trong các yếu tố cơ bản của hệ thống. Kỹ thuật trải phổ tín hiệu đem lại khả năng thực hiện việc đa truy nhập cho các hệ thống CDMA. Trong lịch sử thông tin di động đã tồn tại các công nghệ đa truy nhập khác nhau: TDMA,FDMA và CDMA. Sự khác nhau giữa chúng đợc chỉ ra trong hình vẽ sau đây.
Hình31 : Các công nghệ đa truy nhập
Trong các hệ thống đa truy nhập theo tần số FDMA, các tín hiệu cho các ngời sử dụng khác nhau đợc truyền trong cá kênh khác nhau với tần số điều chế khác nhau. Trong hệ thống đa truy nhập theo thời gian TDMA, các tín hiệu của những ngời sử dụng khác nhau đợc truyền đi trong những khe thời gian khác nhau. Với các công nghệ khác nhau thì số ngời sử dụng lớn nhất có thể chia sẻ các kênh vật lí là cố định. Tuy nhiên trong hệ thống CDMA, các tín hiệu của ngời sử dụng khá nahu đợc truyền trong cùng một băng tần trong cùng một thời điểm. Mỗi tín hiệu của ngời sử dụng này nh là nhiễu đối với ngời sử dụng khác, do đó dung l-
ợng của hệ thống CDMA gần nh là mức nhiễu và không có con số cố định, nên dung lợng của hệ thống CDMA đợc gọi là dung lợng mềm.
Hình vẽ sau đây chỉ ra một thí dụ làm thế nào 3 nguời sử dụng có thể truy nhập đồng thời trong một hệ thống CDMA:
Hình32: Nguyên lí đa truy nhập trải phổ
Tại bên thu, ngời sử dụng thứ 2 sẽ giải trải phổ tín hiệu thông tin của nó trở lại tín hiệu băng hẹp, chứ không phải tín hiệu của bất cứ ngời nào khác. Bởi vì sự tơng quan chéo giữa mã của ngời sử dụng mong muốn và các mã của ngời sử dụng khác là rất nhỏ: việc tách sóng kết hợp sẽ chỉ cấp năng lợng cho tín hiệu mong muốn vàmột phần nhỏ cho tín hiệu của ngời sử dụng khác và băng tần thông tin.
Độ lợi sử lý và đặc điểm băng rộng của quá trình xwr lý đemlại nhiều lợi ích cho các hệ thống CDMA, nh hiệu suất phổ cao và dung lợng mềm. Tuy nhiên, tất cả những lợi ích đó yêu cầu việc sử dụng kĩ thuật điều khiển công suất nghiêm ngặt và chuyển giao mềm, để cho tín hiệu của ngời sử dụng này không che thông tin của ngời sử dụng khác.
2. Một số đặc tr ng củ lớp vật lý trong hệ thống WCDMA. 2.1.Các mã trải phổ.
Trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS, các bit thông tin dữ liệu đợc mã hoá với một số chuỗi bit giả ngẫu nhiên (PN). Mạng vô tuyến UMTS sử dụng tốc độ chips cố định là 3.84Mpcs đem lại một băng thông sóng mang sấp sỉ 5MHz. Dữ liệu đợc gửi qua giao diện vô tuyến WCDMA đợc mã hoá 2 lần trớc khi đợc điều chế và truyền đi. Quá trình này đợc mô tả trong hình vẽ sau:
Nh vậy trong quá trình trên có hai loãi mã đợc sử dụng là mã trộn và mã định kênh.
• Mã định kênh: là các mã hệ sổ trải phổ biến đổi trức giao OVSF giữ tính trực giao giữa các kênh có các tốc độ và hệ số trải phổ khác nhau. Các mã lựa chọn đợc xác định bằng hệ số trải phổ. Cần phải chú ý thêm rằng: Một mã có thể đợc sử dụng trong cùng một Cell. Có thể nói tất cả các mã đợc chọn lựa sử dụng hoàn toàn theo quy luật trực giao.
• Mã trộn: Mã trộn đợc sử dụng trên đờng xuống là tập hợp chuỗi mã Gold. Các điều kiện ban đầu dựa vào số mã trộn n. Chức năng của nó dùng để phân biệt các trạm gốc khác nhau. Thông qua mô phỏng, n đợc xác định là tỉ số giữa sự tơng quan và tơng quan chéo khi thay đổi số chip bị cắt bớt do thay đổi tỉ số S/N. Kết quả đợc chỉ ra nh trong bảng.
Hình 34 : Quan hệ giữa S/N và tỉ số bị cắt bớt
Tồn tại hai loại mã trộn trên đờng lên dùng để duy trì sự phân biệt giữa các