3.1.1. Mạng GSM
Viễn thông di động [1] là một trong những lĩnh vực có sự phát triển rất mạnh mẽ. Sự phát triển đó đòi hỏi cần có một tiêu chuẩn kỹ thuật chung thống nhất và một trong những chuẩn này đã ra đời là chuẩn cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile Communications) được giới thiệu vào năm 1991. GSM là một chuẩn cho điện thoại di động số được đưa ra bởi tổ chức viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunication Standards Institute) cho phép người sử dụng điện thoại di động có thể sử dụng điện thoại di động của họ trên toàn châu Âu.
GSM sử dụng hai kỹ thuật truy nhập là TDMA và FDMA, trong đó TDMA là kỹ thuật có nhiều ưu điểm:
Cung cấp một khả năng tách kênh và mã hóa tiếng nói trong tương lai làm cho hiệu suất phổ được cải thiện.
Cung cấp nhiều dịch vụ hơn các hệ thống tương tự.
Có khả năng tích hợp ISDN (Integrated Services Digital Network).
Kế thừa mạnh mẽ sự phát triển của các thành phần hiện đại làm giảm chi phí của hệ thống.
Cho phép cải tiến đáng kể được các yếu tố liên quan đến bảo vệ thông tin trong hệ thống.
Sau khi ra đời, hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM phát triển một cách mạnh mẽ, cùng với sự gia tăng nhanh chóng của các nhà điều hành, các mạng di động mới, thì số lượng các thuê bao cũng gia tăng một cách chóng mặt. Năm 2000, GPRS được ứng dụng. Năm 2001, mạng 3GSM (UMTS) được đi vào hoạt động. Năm 2003, mạng EDGE đi vào hoạt động.
Kiến trúc tổng quát mạng GSM
Một hệ thống GSM là cơ bản thiết kế như là một sự kết hợp của ba hệ thống con chính [1]: các hệ thống mạng, hệ thống radio và thống hỗ trợ hoạt động của mạng. Các nhà khai thác mạng sẽ có một số nguồn cơ sở hạ tầng thiết bị riêng. GSM không chỉ cung cấp giao diện tầng không mà còn cung cấp giao diện chính giữa các bộ phận khác nhau. Có ba giao diện nổi trội là: giao diện giữa MSC và trạm điều khiển BSC, giao diện giữa BSC và các trạm thu phát cơ bản (BTS), và một giao diện giữa BTS và trạm di động (MS). Các hệ thống phụ bao gồm các thiết bị mạng và các chức năng liên quan đến thiết bị đầu cuối để kết thúc cuộc gọi, quản lý thuê bao di động và giao diện với PSTN cố định. Trong đó, các hệ thống con chuyển đổi bao gồm các MSC, kiểm tra vị trí đăng ký (VLR), đăng ký tại gia đình (HLR), trung tâm xác thực (AUC), và
đăng ký định danh thiết bị (EIR). MSC cung cấp thiết lập cuộc gọi, định tuyến, và bàn giao giữa BSCs trong khu vực riêng của nó và từ hoặc tới MSC khác; một giao diện với PSTN (Public Switched Telephone Networks) cố định, và các chức năng khác như thanh toán. HLR là một cơ sở dữ liệu tập trung của tất cả thuê bao đăng ký trong một PLMN (Public Land Mobile Network). Có thể có nhiều hơn một HLR trong PLMN, nhưng các thuê bao cá nhân chỉ có một trong số đó. VLR là một cơ sở dữ liệu của tất cả các điện thoại di động hiện đang chuyển vùng trong khu vực kiểm soát của MSC. Ngay sau khi một MS chuyển vào một vùng MSC mới, VLR được kết nối với MSC sẽ yêu cầu dữ liệu về MS từ HLR. Đồng thời, các HLR sẽ được thông báo khu vực MSC mà MS nội bộ. Nếu, sau một thời gian, MS muốn thực hiện cuộc gọi, các VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết cho việc thiết lập cuộc gọi mà không cần phải kiểm tra HLR mỗi lần. Do đó, VLR theo trực quan là một HLR phân phối. VLR cũng chứa nhiều thông tin chính xác về vị trí thiết bị di động. AUC được kết nối đến HLR. Chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các thông số xác thực và các bản mã được sử dụng cho mục đích an ninh. EIR là cơ sở dữ liệu, nơi nhận dạng các số định danh các thiết bị di động quốc tế (IMEI) cho tất cả các thiết bị di động đăng ký được lưu trữ.Một số thành phần khác của mạng là Echo Canceler, làm giảm hiệu lực gây nhiễu gây ra bởi các mạng di động khi kết nối với một mạch PSTN. Mạng giao tác chức năng (IWF) là giao diện giữa MSC và các mạng khác như PSTN và ISDN.
Các hệ thống phụ phát thanh bao gồm các thiết bị và chức năng liên quan đến việc quản lý theo sóng radio, bao gồm cả việc quản lý bằng tay. Nó chủ yếu bao gồm một BSC, BTS và MS. MS truyền thống được xem như là một một phần của hệ thống phụ phát thanh mặc dù nó luôn là một đầu cuối trên đường dẫn hội thoại và tổ chức đối thoại với các hệ thống mạng con để quản lý các di động của mình. MS bao gồm cả khả năng ngừng hoạt động của mạng và của người sử dụng. Hệ thống GSM được thực hiện như là một mạng lưới các tế bào radio cùng cung cấp thông tin đầy đủ về khu vực dịch vụ. Mỗi tế bào có một trạm BTS số thu phát riêng. Một nhóm các BTS được điều khiển bởi một BSC. Cấu hình của BSC-BTS là đa dạng. Một số cấu hình phù hợp nhất với lưu lượng truy cập cao và một số là để phục vụ cho vùng có lưu lượng truy cập trung bình đến thấp. Một BSC điều khiển các chức năng như chuyển giao và kiểm soát nguồn. BSS và BTS cùng được biết đến như là một BSS, được quan sát bởi các MSC thông qua một giao diện duy nhất như là các thực thể chịu trách nhiệm thông tin liên lạc với các MS ở một khu vực nhất định. Một BSS được kết hợp với sự quản lý các kênh radio, chức năng truyền tải, điều khiển kết nối vô tuyến, và đánh giá chất lượng và chuẩn bị chuyển giao. BSS đảm bảo độ che phủ của N tế bào, trong đó N có thể là một hoặc nhiều hơn.
Trung tâm hoạt động và bảo trì (OMC) bao gồm các hệ thống con hoạt động, bảo trì thiết bị GSM và hỗ trợ các nhà điều hành giao diện mạng. Nó được kết nối với tất cả các thiết bị trong hệ thống chuyển mạch và các BSC. OMC thực hiện chức năng quản
trị của GSM (ví dụ cho thanh toán) trong một quốc gia. Một trong những chức năng quan trọng nhất của OMC là việc duy trì HLR quốc gia. Tùy thuộc vào kích thước mạng, mỗi quốc gia có thể có nhiều hơn một OMC. Việc quản lý toàn cầu và tập trung của mạng được cung cấp bởi trung tâm quản lý mạng NMC, trong khi OMC chịu trách nhiệm quản lý mạng cho các khu vực.
3.1.2. Công nghệ GPRS
GSM quản lý truyền thông thoại và dữ liệu trên kết nối chuyển mạch kênh. Mạng GPRS [7] là sự mở rộng của mạng GSM cho phép thuê bao gửi và nhận dữ liệu qua kết nối chuyển mạch gói. Việc sử dụng GPRS thích hợp cho các ứng dụng với các đặc điểm sau:
Thời gian giữa các lần truyền thành công lớn hơn thời gian trễ truyền trung bình.
Thường xuyên truyền tải khối lượng dữ liệu nhỏ.
Không thường xuyên truyền tải khối lượng dữ liệu lớn.
Các ứng dụng này thường không cần phải truyền thông thường xuyên. Do đó việc sử dụng liên tục của các tài nguyên để thực hiện một mạch kết nối chuyển mạch không hiệu quả để khai thác nguồn tài nguyên sóng radio. Các ứng dụng được lựa chọn chia sẻ nguồn tài nguyên radio bằng cách phân bổ tài nguyên radio để truyền chỉ khi ứng dụng có dữ liệu để truyền tải. Khi dữ liệu đã được truyền xong, nguồn tài radio được giải phóng để sử dụng cho ứng dụng khác. Với cơ chế này nguồn tài nguyên radio được sử dụng hiệu quả hơn. GPRS sử dụng nguồn tài nguyên radio cho một kết nối dựa trên gói tin nhiều hơn là cho một kết nối mạch chuyển mạch trong GSM. Do đó, một kết nối dựa trên gói tin thường đạt được tốc độ bit cao hơn (lên đến 171,2 Kbps) bằng cách sử dụng một cấu hình multislot cho đường up và down như trong Bảng 4.2. Đối với, một trạm di động đa khe cắm (multislot) GPRS 6 lớp có thể có tối đa là ba khe cắm phân bổ cho đường down và tối đa là hai khe cắm cho đường up. Tuy nhiên, đối với một trạm điện thoại di động, tối đa là bốn khe chỉ có thể được kích hoạt tại một thời điểm cho cả đường up lên và đường down xuống. Khả năng của mỗi vùng phụ thuộc vào kênh mã hóa được sử dụng. Sơ đồ mã hóa bốn kênh được sử dụng trong GPRS với mức độ bảo vệ lỗi khác nhau và thường được lựa chọn theo chất lượng của môi trường radio. GPRS có thể cung cấp kết nối liên tục (gửi và nhận dữ liệu bất cứ lúc nào).
3.1.2.1. Kiến trúc GPRS
Các yếu tố chính của sáng tác kiến trúc GPRS [3GPP-23.060] được thể hiện trong hình 3.1 [7]. Một trạm di động GPRS được phân loại theo khả năng của mình để hỗ trợ đồng thời các chế độ hoạt động cho mạng GSM và GPRS [3GPP-22.060] như sau:
Class A: Các trạm di động hỗ trợ sử dụng đồng thời dịch vụ GSM và GPRS
(Đính kèm, kích hoạt, theo dõi, truyền tải, ...). Một lớp trạm di động có thể được thiết lập hoặc nhận cuộc gọi vào hai dịch vụ đồng thời. Sự phức tạp cao của việc thiết kế các lớp làm cho sản xuất thiết bị tốn kém. Đo đó, các thiết bị này thường không có sẵn cho thị trường.
Class B: Các trạm điện thoại di động được gắn vào cả hai dịch vụ GSM và GPRS.
Tuy nhiên, trạm di động chỉ có thể hoạt động một trong hai dịch vụ tại một thời điểm.
Class C: Các trạm điện thoại di động được gắn với dịch vụ hoặc dịch vụ GSM
hoặc GPRS nhưng không thuộc cả hai dịch vụ đồng thời. Trước khi thành lập hoặc nhận cuộc gọi trên một trong hai dịch vụ, trạm điện thoại di động đã được gắn liền với dịch vụ mong muốn.
Trước khi một trạm di động có thể truy cập dịch vụ GPRS, nó phải thực thi một thủ tục đính kèm GPRS để cho biết sự hiện diện của nó vào mạng. Sau khi đính kèm GPRS của chính nó, các trạm di động kích hoạt một giao thức chuyển dữ liệu gói (PDP) phù hợp với mạng để có thể truyền hoặc nhận dữ liệu. Thủ tục này được gọi là kích hoạt bối cảnh PDP. Giao diện tầng không của GPRS giống hệt giao diện tầng không của mạng GSM (điều chế sóng radio, tần số băng thông và cấu trúc khung). GPRS dựa trên cơ sở phát một triển hệ thống con của GSM. Tuy nhiên, mạng lõi GPRS dựa trên một hệ thống mạng GSM trong đó được tích hợp bổ sung hai thành phần: phục vụ và các nút hỗ trợ cổng GPRS. Ngoài ra, dịch vụ EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution) có thể được hỗ trợ nâng cao hiệu năng của GPRS.
3.1.2.2. Nút hỗ trợ phục vụ GPRS
Node hỗ trợ phục vụ GPRS viết tắt là SGSN (Serving GPRS Support Node) [7].được kết nối với một hoặc nhiều trạm con gốc. Nó hoạt động như một bộ định tuyến gói dữ liệu cho tất cả các trạm di động hiện hành trong một khu vực địa lý. Nó cũng theo dõi vị trí của trạm di động và thực hiện chức năng bảo mật và kiểm soát truy cập.
3.1.2.3. Nút hỗ trợ Gateway GPRS
Các nút hỗ trợ Gateway GPRS viết tắt là GGSN [7] (Gateway GPRS Support Node) cung cấp các điểm gắn kết giữa miền GPRS với các mạng dữ liệu như Internet hoặc mạng PSTN. Một Access Point Name (APN) được sử dụng bởi người dùng di động để thiết lập kết nối đến các mạng đích được yêu cầu.
3.1.2.4. Thủ tục đính kèm GPRS Đính kèm GPRS
Một MS không được nhận biết bởi mạng cho tới khi nó thực hiện song thủ tục đính kèm GPRS [11] và chuyển vào trong chế độ Ready. Để đính kèm vào một mạng, MS cung cấp định danh của nó và chỉ ra các thủ tục đính kèm được thực thi. Khi MS muốn bắt đầu phiên gói dữ liệu, đầu tiên MS phải gắn bản thân nó vào SGSN theo bốn bước sau:
MS gửi một thông điệp yêu cầu đính kèm với định danh (P-TMSI hoặc TMSI) tới SGSN.
SGSN xác minh xem người dùng với ủy quyền như vậy có được phép sử dụng dịch vụ hay không.
Sau khi xác thực, SGSN gửi lại thông điệp phản hồi cho MS với một TLLI. TLLI được cung cấp để xác định ID cho trạm di động, trạm di động sẽ dùng ID này để tiến hành trao đổi dữ liệu.
Một cơ sở dữ liệu được duy trì ở SGSN để lưu lại các định danh thiết bị di động TLLI đã đăng ký đến nó.
Kích hoạt bối cảnh PDP để định tuyến gói và truyền thông
Trước khi truyền/nhận dữ liệu, một bối cảnh PDP (một địa chỉ dữ liệu) phải được kích hoạt cho mỗi MS. Bối cảnh PDP được sử dụng cho mục đích định tuyến bên trong mạng GPRS. Một thuê bao GPRS chứa một vài địa chỉ PDP, một bối cảnh PDP riêng được duy trì trong MS, SGSN và GGSN cho mỗi địa chỉ PDP. Tất cả các bối cảnh PDP cho một thuê bao được gắn với một bối cảnh Mobile Manager (MM) tương tự cho các nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI) của thuê bao. Các tham số được thiết lập trong PDP để định tuyến gói tin và truyền thông:
Yêu cầu QoS: Tốc độ bit, yêu cầu trễ, dịch vụ ưu tiên, mức độ tin cậy dự kiến.
Nén hay không nén dữ liệu như sử dụng nén dữ iệu V.42 hay payload.
Sử dụng hay không sử dụng giao thức TCP/IP nén header.
Địa chỉ PDP và loại yêu cầu.
Mỗi bối cảnh PDP có thể là kích hoạt [10] hoặc vô hiệu hóa. Dưới đây là quá trình kích hoạt bối cảnh PDP:
MS gửi yêu cầu kích hoạt bối cảnh PDP cho SGSN.
SGSN chọn GGSN và yêu cầu GGSN tạo bối cảnh cho MS. SGSN sẽ chọn một GGSN phục vụ loại dịch vụ mà bối cảnh cần.
GGSN trả lời SGSN với thông tin nhận dạng đường hầm (TID). Nó cũng cập nhập bảng thông tin của nó với TID mà nó định vị và địa chỉ IP của SGSN liên quan mà nó đã thiết lập với điện thoại di động.
SGSN gửi thông điệp đến MS thông báo rằng bối cảnh của nó đã được kích hoạt.SGSN cũng cập nhập thông tin trong bảng của nó với TID và địa chỉ IP của GGSN mà nó đã thiết lập các đường hầm cho điện thoại di động.
MS chỉ trao đổi thông điệp với SGSN [11]. Nếu quá trình đính kèm thành công MS sẽ tiến hành truyền và nhận dữ liệu thông qua SGSN.
3.2. Tập lệnh AT và thiết bị hỗ trợ tập lệnh AT 3.2.1. Tập lệnh AT 3.2.1. Tập lệnh AT
Tập lệnh AT [2] được được sử dụng để điều khiển một modem. Mỗi dòng lệnh bắt đầu bằng “AT” hoặc “at”. Có nhiều lệnh AT được sử dụng để điều khiển modem có dây như ATD (Dial), ATA (Answer), ATH (Hook control) and ATO (Return to online data state) cũng được sử dụng để điều khiển các modem không dây và các điện thoại di động. Ngoài ra tập lệnh AT này, các modem GSM/GPRS và các điện thoại di động còn hỗ trợ một tập các lệnh AT phục vụ cho các mục đích của công nghệ GSM.
Các nhà sản xuất điện thoại di động thường không sử dụng tất cả các lệnh AT, các tham số và giá trị của lệnh trong điện thoại di động của họ. Ngoài ra, cách thực hiện các lệnh AT có thể khác với quy định theo tiêu chuẩn đặt ra. Nói chung, các modem GSM/GPRS được thiết kế cho các ứng dụng không dây có hỗ trợ các lênh AT tốt hơn so với điện thoại di động thông thường.
Ngoài ra, một số lệnh AT yêu cầu sự hỗ trợ của các mạng di động. Ví dụ, tin nhắn SMS qua GPRS có thể được kích hoạt trên một số điện thoại di động GPRS và modem GPRS với lệnh +CGSMS. Nhưng nếu các nhà điều hành mạng di động nào không hỗ trợ việc truyền tin nhắn SMS qua GPRS thì người lập trình không thể sử dụng tính năng này.
Có hai loại AT lệnh: lệnh cơ bản và các lệnh mở rộng:
Lệnh cơ bản AT lệnh không bắt đầu với kí tự "+". Ví dụ, D (Dial), A (Answer), H (Hook control) and O (Return to online data state) là các lệnh cơ bản.
Lệnh AT mở rộng được bắt đầu với "+". Tất cả lệnh AT của công nghệ