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.