Các phẩn từ trong mạng gprs

Chương 3: CÁC PHẨN TỪ TRONG MẠNG GPRS Trong mạng GPRS thì bao gồm nhiều thành phần: SGSN, GGSN, PCU, HLR, BSS, MS…và các thành phần đó như sau: Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) SGSN là một thành phần của mạng lõi GPRS. Đây là một thành phần hoàn toàn mới so với mạng GSM. Mỗi SGSN có thể quản lý vài BSS thông qua PCU, hình vẽ: Hình 3.1: Vị trí của SGSN trong hệ thống GPRS. Nút hỗ trợ dịch vụ SGSN phụ trách việc phân phát và định tuyến các gói số liệu giữa MS và các mạng truyền số liệu bên ngoài. SGSN không chỉ định tuyến các gói số liệu giữa máy di động MS và nút hỗ trợ cổng GGSN mà còn đăng ký cho các máy di động GPRS mới xuất hiện trong vùng phục vụ của nó. SGSN có các chức năng chính như sau: Quản lý di động : bao gồm quản lý việc nhập mạng, rời mạng của thuê bao GPRS, quản lý vị trí hiện diện của thuê bao trong vùng phục vụ, thực hiện các chức năng bảo mật, an ninh cho mạng. Đối với SGSN, việc chuyển mạch và chuyển tiếp các gói dữ liệu đến là chức năng quan trọng nhất. Nó phụ trách việc phân phát và định tuyến các gói số liệu giữa máy cầm tay MS và các mạng số liệu bên ngoài, không những thế nó còn đăng ký cho MS mới xuất hiện trong vùng phục vụ của nó. Thuê bao GPRS nào được SGSN nào phục vụ là tùy thuộc vị trí của nó. Dữ liệu được định tuyến đến BSC rồi thông qua BTS để đưa đến MS, ngoài ra nó cũng liên kết với các GGSN khác trong phạm vi của mạng GPRS. Đối với mạng GSM, BTS và MS đảm nhận các chức năng mã hóa thông tin. Thông tin trong chuyển mạch kênh GSM được mã hóa và giải mã tại lớp 1. Hình 3.2: chức năng mã hóa của SGSN trong mạng GPRS Đối với GPRS, việc mã hóa và giải mã được thực hiện tại lớp 2. Thiết lập hay huỷ bỏ các giao thức dữ liệu gói PDP phục vụ cho việc truyền tải các gói dữ liệu PDU giữa thuê bao GPRS và GGSN thông qua hai giao diện Gn và Gb. Bên cạnh các chức năng trên, SGSN cũng đảm nhiệm chức năng nén các dữ liệu. Ở đây, GPRS hỗ trợ hai phương pháp nén dữ liệu. RFC 1144 : RFC 1144 được hỗ trợ cho việc nén các mào đầu của gói tin TCP/IP. Trong RFC 1144, các thông tin mào đầu của TCP/IP đã loại bỏ các thông tin dư thừa và qua một kết nối TCP ảo giữa MS và các ứng dụng. Ở đây việc nén dữ liệu đã có thể làm giảm dữ liệu ban đầu từ 40 bytes thành 2 đến 3 bytes. V.42bis : đối với chuẩn V.42bis, thường được biết đến trong khi sử dụng đối với các modem, nhưng nó cũng được sử dụng trong mạng GPRS. Chuỗi thông tin có thể được nén với sự hỗ trợ của V.42bis. Hình vẽ sau sẽ ví dụ về chức năng của V.42bis. Hình 3.3 Chế độ nén V.42bis Đương nhiên, việc phân chia chỉ mang tính hình thức và chúng ta cũng có thể sử dụng cả hai loại nén trên. Ngoài ra việc sử dụng V.42bis có một lợi thế đó là có thể nén ngay lập tức dữ liệu đã được nén bởi RFC 1144. Với V.42bis, tất cả các các dữ liệu ngẫu nhiên đều có thể nén được ( ví dụ cả TCP/IP header và dữ liệu bên trong cũng có thể đưa vào chuỗi nén). Chú ý rằng trong mọi trường hợp, việc sử dụng phương thức nén RFC 1144 và V.42bis đều được lựa chọn bởi SGSN và MS. Đương nhiên điều này khá quan trọng, bởi nó có thể tiết kiệm được giá tiền mà người sử dụng phải trả. Ngoài ra, việc sử dụng các phương thức nén tồn tại ngay trong đầu cuối kết nối với MS (ví dụ phần mềm nén dữ liệu trong laptop) có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp nén có trong mỗi MS. Cung cấp các khả năng kết nối với các phần tử khác trong mạng như : SGSN , MSC/VLR, HLR, BSC … Cung cấp khả năng tương tác với mạng GSM khi cả hai công nghệ này cùng sử dụng chung một nguồn tài nguyên. Điều hành việc xếp hàng của các gói dữ liệu trao đổi giữa trạm gốc BSS và nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN). Cung cấp dữ liệu phục vụ cho việc tính cước, các thông tin phục vụ tính cước được thu thập tại SGSN chỉ liên quan đến phần sử dụng mạng vô tuyến của các thuê bao. 3.2 Nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN) Nhìn về mặt hệ thống GGSN đóng vai trò như một GMSC. GGSN cung cấp một giao diện cổng phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu gói bên ngoài (PDN). Nó cung cấp địa chỉ định tuyến cho các dữ liệu được phân phối tới máy di động và gửi các số liệu xuất phát từ máy di động tới địa chỉ đã được chỉ định. GGSN cũng tương tác với các mạng chuyển mạch gói ngoài và được kết nối với SGSN theo giao thức IP dựa trên mạng đường trục GPRS. GGSN có hai giao diện Gi và Gn, trong đó giao diện Gi phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu giữa thuê bao GPRS với các mạng thiết bị đầu cuối thuộc mạng dữ liệu bên ngoài được kết nối với GGSN. Giao diện Gn phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu báo hiệu giữa GGSN và SGSN, kết nối này được thực hiện qua mạng IP (mạng đường trục GPRS). GGSN còn được nối với bộ đăng ký thường trú HLR qua giao diện Gc để thu thập thông tin định tuyến cũng như các dữ liệu về thuê bao GPRS. GGSN có các chức năng chính sau: Cấu hình PDP Một giao thức mở rộng đã được sử dụng trong mạng GPRS đó chính là PDP. Đặc điểm quan trọng nhất của giao thức này đó chính là không làm gấp đôi số lượng địa chỉ IP. Trước khi MS trong mạng GPRS có thể gửi hoặc nhận dữ liệu thì điều đầu tiên là phải kích hoạt PDP giữa MS và mạng. Khi PDP được kích hoạt, thì một địa chỉ PDP (IP address) sẽ được cung cấp và sau đó MS có thể sử dụng các chức năng của mạng GPRS. Đương nhiên, SGSN cũng là một phần quan trọng trong quá trình kích hoạt PDP nhưng việc điều khiển lại phụ trách bởi GGSN. Cung cấp giao diện giữa mạng GPRS với các mạng dữ liệu bên ngoài. Nhìn từ phía các mạng bên ngoài GPRS đóng vai trò như một bộ định tuyến đến tất cả các thuê bao được phục vụ bởi GPRS. Định tuyến và truyền tải dữ liệu giữa GPRS và các mạng dữ liệu GPRS. Quản trị các phiên làm việc GPRS, thiết lập thông tin về phía các mạng bên ngoài. Định khuôn dạng dữ liệu: Chức năng này của GGSN cho phép chuyển đổi kích cỡ các gói tin về dạng chuẩn theo GPRS. Điều này cho phép các gói dữ liệu X.25 và IP được truyền tải với cùng một khuôn dạng khi đến MS. Trong GPRS, độ dài tối đa của gói là 1500 octet do đó những gói kích thước có kích thước lớn hơn so với GPRS sẽ bị phân đoạn (chẳng hạn các gói tin IP có độ dài tối đa 65536 octet, mạng X.25 là 128 octet, một số mạng LAN là 8000 octet..) trước khi GGSN đưa nó vào mạng GPRS. Cung cấp dữ liệu phục vụ cho việc tính cước, các thông tin được thu thập tại GGSN chỉ liên quan đến phần sử dụng dữ liệu bên ngoài. Điều khiển việc truy nhập trên GGSN. Chức năng neo ( Anchor Function) Nhìn vào hình 3.4, ta thấy GGSN là thành phần không thay đổi trong suốt quá trình di chuyển của MS. Nhân tố này là cần thiết, bởi vì các mạng số liệu bên ngoài sẽ cần một điểm cố định khi kết nối với mạng GSM/GPRS. Chỉ có các SGSN là thay đổi trong suốt quá trình di chuyển đến các vùng khác nhau của MS. Về điểm này, rất nhiều cuộc hội thảo đặt ra để trả lời cho các giải pháp có thể khi MS thay đổi vị trí PLMN trong suốt quá trình kích hoạt PDP, ví dụ như di chuyển giữa Đức và Hà Lan. Và câu trả lời cho đến thời điểm này của các nhà cung cấp dịch vụ đó chính là ngắt kết nối rồi kết nối lại. Hình 3.4 chức năng neo của GGSN 3.3 GPRS Backbone Hình 3.5: Mạng đường trục GPRS Mạng đường trục là mạng IP cơ sở. Có hai loại mạng đường trục GPRS: Mạng đường trục PLMN cục bộ (Intra-PLMN Backbone Network): là mạng IP liên kết nối các GSN trong cùng một mạng PLMN. Mạng đường trục PLMN liên mạng (Inter-PLMN Backbone Network): là mạng IP liên kết nối các GSN trong các mạng PLMN khác nhau. Mạng Intra-PLMN Backbone là một mạng IP riêng biệt chỉ dành cho dữ liệu và báo hiệu GPRS. Mạng IP riêng biệt là mạng IP mà sử dụng một cơ chế điều khiển truy nhập nào đó để đạt được mức bảo mật theo yêu cầu. Hai mạng Intra-PLMN Backbone được kết nối qua giao diện Gp sử dụng Border Gateway (BG) với một mạng Inter-PLMN. Mạng Inter-PLMN Backbone được lựa chọn theo yêu cầu chuyển vùng (roaming), bao gồm chức năng bảo mật BG. Thông thường BG bao gồm một bức tường lửa có chức năng bảo vệ mạng và một bộ định tuyến phục vụ việc lựa chọn mạng. BG không được định nghĩa trong phạm vi mạng GPRS. Inter-PLMN Backbone là một mạng IP cơ sở, ví dụ mạng IP cá nhân hay mạng Internet công cộng sử dụng kênh thuê riêng (leased line). 3.4 MSC/HLR HLR hiện tại sẽ được tái sử dụng cho GPRS. Nó chứa dữ liệu đăng ký GPRS và các thông tin định tuyến. Thông tin HLR có thể truy nhập được từ SGSN qua giao diện Gr mới. Đối với các máy di động chuyển vùng, HLR có thể ở trong một mạng PLMN khác chứ không phải SGSN hiện đang phục vụ trạm di động đó. Chế độ truy nhập mạng của thuê bao được bổ sung vào trong bộ ghi đăng ký thuê bao của HLR. Nó quyết định kiểu truyền dẫn mà thuê bao được phép sử dụng. Đối với chế độ truyền dẫn số liệu gói thuê bao cần truy nhập tới mạng GPRS, chẳng hạn như người sử dụng phải được phép đăng ký tạm thời trong một SGSN. Trong trường hợp đó, HLR chứa dữ liệu đăng ký GPRS và thông tin định tuyến GPRS cho thuê bao đó. Nếu thuê bao chỉ truy nhập đến truyền dẫn số liệu thì thuê bao đó không thể đăng ký tạm thời trên một MSC/VLR. IMSI của một thuê bao đã truy nhập vào mạng GPRS có thể được kết hợp với địa chỉ (các địa chỉ) IP của thuê bao đó và các thông tin đăng ký thuê bao cần thiết cho truyền dẫn số liệu phương thức gói. HLR nâng cấp SGSN với các thông tin , dựa trên thông tin cập nhật vị trí từ SGSN hay khi nó được thay đổi bởi các phương tiện quản lý. HLR quản lý di động cho các thuê bao GPRS bằng cách lưu trữ các thông tin định tuyến cho các thuê bao GPRS cho cập nhật vị trí từ SGSN, và thông báo cho SGSN cũ về sự thay đổi vị trí của thuê bao. HLR cũng lưu trữ thông tin cho nhận thực và giải mã từ AUC và cung cấp nó cho SGSN dựa trên yêu cầu.  Quản lý cấu hình của HLR được thực hiện giống như trong hệ thống GSM truyền thống, chẳng hạn như bằng các lệnh MML hay qua giao diện cổng yêu cầu dịch vụ. Số lượng đăng ký GPRS có thể lưu giữ trong HLR cũng tương tự như số đăng ký GSM thông thường. HLR hỗ trợ tin nhắn ngắn được gửi phát qua SGSN. Khi tin nhắn ngắn đang được gửi tới một thuê bao di động, HLR kiểm tra xem  dịch vụ có được cung cấp không, có bất kỳ chức năng chặn nào đang hoạt động và xem thuê bao có mặt trong phạm vi bao phủ của VLR hay không. Trong trường hợp tin nhắn ngắn gửi đi không thành công, dịch vụ chờ tin nhắn sẽ cung cấp cho HLR thông tin là có một tin nhắn trong SMS-C đang chờ để được gửi đi tới trạm di động. Thông tin lưu trữ trong HLR – dữ liệu tin nhắn chờ (Message-Waiting-Data MWD) chứa một loạt các địa chỉ tin nhắn gửi đã gửi đi không thành công. HLR thông báo cho SMS-C khi máy di động có thể lại nhận được tin nhắn. HLR được nâng cấp, chứa các thông tin định tuyến và dữ liệu thuê bao GPRS. HLR có thể truy nhập với SGSN qua giao diện Gr và với GGSN qua giao diện Gc. Đối với việc roaming của MS, cần có HLR nằm trong mạng PLMN khác với mạng PLMN hiện thời của SGSN. Toàn bộ các thuê bao MS đều sử dụng HLR nằm trong mạng chủ PLMN (HPLMN). MSC/ VLR có thể được cải tiến nhằm tăng tính hiệu quả trong việc phối hợp các dịch vụ GPRS với các dịch vụ phi GPRS, cũng như cải thiện chức năng bằng việc sử dụng giao diện Gs, trong đó nó sử dụng các thủ tục BSSAP+ là một phần thủ tục BSSAP thông thường. 3.5 SMS-GMSC và SMS-IWMSC SMS-GMSC và SMS-IWMSC không bị ảnh hưởng bởi việc thực hiện SMS qua GPRS. SGSN sẽ có thể kết nối tới SMS-SC qua giao diện mới Gd là giao diện dựa trên MAP. Phiên bản MAP. Nó sẽ cho phép MS được gắn vào các dịch vụ GPRS để gửi hoặc nhận SMS qua các kênh GPRS. 3.6 Máy di động MS: Thiết bị đầu cuối GPRS có thể hoạt động được ở 3 chế độ Chế độ 1 (Class 1) : ở chế độ này máy đầu cuối di động có thể sử dụng cả hai dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đồng thời. Chế độ 2 (Class 2) : ở chế độ này máy đầu cuối di động không thể sử dụng cả hai dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đồng thời, nhưng có thể sử dụng hai dịch vụ này theo kiểu liên tiếp nhau, trên cơ sở các dịch vụ này được lựa chọn tự động. Máy đầu cuối di động có thể nhận được nhắn tin cho dịch vụ chuyển mạch kênh trong khi đang truyền tải dữ liệu dưới dạng gói. Khi đó máy đầu cuối di động có thể tạm dừng việc truyền tải dữ liệu trong khoảng thời gian thực hiện kết nối này kết thúc, máy đầu cuối di động sẽ tự động chuyển về trạng thái truyền tải dữ liệu. Chế độ 3 (Class 3) : ở chế độ này chỉ cho phép máy đầu cuối di động sử dụng một dịch vụ chuyển mạch kênh hay chuyển mạch gói tại một thời điểm. Sự lựa chọn này được thực hiện bằng nhân công hoặc mặc định. Máy đầu cuối di động nào chỉ hỗ trợ GPRS luôn hoạt động ở chế độ này. 3.7 BSC trong GPRS GPRS và GSM cùng tồn tại trong hạ tầng GSM, giúp cho việc triển khai nhanh chống và vùng phủ sóng GPRS rộng. BSS yêu cầu phần mềm mới để hỗ trợ GPRS. Phần cứng mới, khối điều khiển dữ liệu gói (Packet Control Unit-PCU) cũng cần phải thêm vào BSC. BSC có thể là BSC/TRC kết hợp (Transcoder Controller) hay là BSC đơn lập. PCU chỉ có thể phục vụ cho một BSC và chỉ có một PCU cho mỗi BSC. PCU thích hợp với cả phần cứng BYB 501 và BYB 202. Một giao diện mở mới, giao diện Gb được đưa vào giữa BSC (PCU) và SGSN. PCU có thể được kết nối với một nút SGSN qua giao diện Gb trực tiếp từ một BSC đơn lập hay TRC/BSC kết hợp , hay là qua TRC từ một BSC đơn lập , hoặc qua một MSC từ một BSC/TRC kết hợp. Giao diện A-bis hiện tại được tái sử dụng cho GPRS do đó sẽ mang cả chuyển mạch kênh và lưu lượng GPRS. Hình 3.6 Giao diện mở Gb nối PCU với SGSN Khối điều khiển dữ liệu gói (PCU) Với lý do kinh tế, các nhà cung cấp dịch vụ luôn mong muốn rằng họ ít phải nâng cấp thành phần BSS nhiều nhất, do đó một yêu cầu đặt ra đó chính là làm sao để ít phải nâng cấp phần cứng tại BSS nhất có thể. Bởi cấu trúc cũ không hỗ trợ chuyển mạnh gói, điều đó đòi hỏi phải có một thành phần thêm vào, điều này là không thể tránh được, và phần cứng đó chính là PCU. Nó có thể lắp đặt vào BSS theo các cách sau: Hình 3.7 : Các vị trí của PCU Chức năng của chính của PCU trong mạng GSM/GPRS: Nó chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến (RR) trong GPRS. Đây là một giao thức hoàn toàn mới so với RR của GSM, nó được gọi là giao thức RLC/MAC trong GPRS. PCU quản lý tầng dưới của giao thức GPRS tại giao diện Um. Chức năng thứ hai của PCU cũng khá quan trọng, đó là chức năng chuyển đổi các gói dữ liệu thành các khung PCU. Như hình vẽ 3.8, dữ liệu gói đến từ SGSN chuyển thành các khung của PCU. Và các khung PCU được chuyển đến BSC rồi đến BTS, khi đó nó thực hiện các quá trình như là mã hóa kênh, gép,… Hình 3.8 : chức năng của PCU Vị trí của PCU trong hệ thống. Có 3 cách đặt PCU, đó là đặt tại BTS, đặt tại BSC và đặt tại SGSN, mỗi vị trí đều có những ưu điểm và nhược điểm, cụ thể như sau: Tại vị trí thứ nhất, đặt PCU tại BTS, các nhà sản xuất muốn đặt tại vị trí này với các mục đích, đó chính là giải quyết vấn đề băng thông, trong trường hợp này băng thông của hệ thống sẽ được tăng cao, nhưng nó cũng có nhược điểm, đó chính là phải lắp đặt nhiều PCU ( chính xác hơn đó chính là có bao nhiêu BTS thì phải có bấy nhiêu PCU) thứ hai việc thay đổi vị trí của MS ( chuyển giao) sẽ phải điều khiển bởi SGSN, và điều đó có nghĩa là làm tăng gánh nặng cho SGSN. Vị trí thứ hai gần như thành một tiêu chuẩn được đề ra bởi hầu hết các nhà sản xuất và các nhà quản lý, đó chính là tích hợp PCU vào BSC, ở đây PCU trở thành một phần cứng vật lý trong BSC, hay là BSS. Đối với GPRS và tốc độ truyền tải thấp, đây chính là giải pháp tốt nhất, nhưng với việc truyền tải tốc độ cao, thì có một vài vấn đề đó chính là việc truyền tải các gói đến BSC, mà BSC từ ban đầu lại được thiết kế cho việc chuyển mạch kênh tốc độ thấp là 16kbps hoặc là 8 kbps mỗi kênh. Tại vị trí thứ 3, đó là đặt các PCU tại các khu vực của SGSN, điều đó cũng có nghĩa là thường sẽ đặt tại vị trí của MSC. Tại vị trí này, nhiều PCU sẽ được tập trung tại SGSN. Trong vị trí này thì xũng có khá nhiều các ưu điểm ví dụ như việc tích hợp các phần cứng vào PCU và việc dùng chung đường giữa MSC-BSC và PCU-SGSN. Nhưng nó cũng có một vài nhược điểm lớn. Ví dụ như, việc truyền tải thông qua các mạng bán công cộng, thì các nhà sản xuất phải mô tả và lộ ra các giao thức giữa PCU và SGSN, điều này làm giảm tính bảo mật, ngoài ra, việc kết nối giữa BSC và PCU ở khoảng cách khá xa, điều này rất nguy hiểm bởi vấn đề mất đồng bộ trong quá trình xử lý.