Đề tài Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin di động

Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa Hμ Néi khoa ®iÖn tö viÔn th«ng ====== ====== Đå ¸n tèt nghiÖp ®Ò tμi: Tổng quan về hệ thống thông tin di động Gi¸o viªn h−íng dÉn : §Æng Kh¸nh Hßa Sinh viªn thùc hiÖn : Chu ót ThËm Líp : 05BTT – 07§T Hµ Néi – 08/2008 §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS Chu ót thËm – 05btt-07®t MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu về mạng thông tin di động GSM .............................. ...1 1.1 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM............................................. ...1 1.2 Các chức năng của hệ thống GSM......................................................... ...4 1.3 Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin đi động GSM...................... ...5 1.4 Phương pháp truy nhập trong thông tin di động..................................... ...6 Chương 2: Cấu trúc hệ thống thông tin di động GSM................................ ...9 2.1. Cấu trúc hệ thống .................................................................................. ...9 2.2. Chức năng các phần tử trong mạng GSM...............................................10 Chương 3: Mạng báo hiệu và các khía cạnh mạng ..................................... .17 3.1. Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM ........................................ .17 3.2. Các giao diện trong hệ thống GSM....................................................... .20 3.3. Các khía cạnh mạng .............................................................................. .20 Chương 4: Giao tiếp vô tuyến ....................................................................... .26 4.1. Khái niệm về các kênh vô tuyến ........................................................... .26 4.2. Sắp xếp các kênh logic ở các kênh vật lý.............................................. .29 Chương 5: Các dịch vụ trong GSM .............................................................. .31 5.1. Dịch vụ thoại......................................................................................... .31 5.2. Dịch vụ số liệu ...................................................................................... .31 5.3. Dịch vụ bản tin ngắn ............................................................................. .32 5.4. Các dịch vụ phụ .................................................................................... .32 Chương 6: Một số thí dụ về cuộc gọi trong mạng GSM ............................. .34 6.1. Cuộc gọi ra từ MS................................................................................. .34 6.2. Cuộc gọi vào từ mạng cố định .............................................................. .35 Chương 7: Giới thiệu chung về công nghệ GPRS ....................................... .38 7.1. Tổng quan về công nghệ GPRS ............................................................ .38 7.2. Cấu trúc hệ thống GPRS ....................................................................... .39 Chương 8: Các giao diện và giao thức trong mạng GPRS ......................... .48 §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS Chu ót thËm – 05btt-07®t 8.1. Mặt phẳng truyền dẫn ........................................................................... .48 8.2. Mặt phẳng báo hiệu............................................................................... .51 8.3. Giao diện vô tuyến UM......................................................................... .59 8.4. Mạng vô tuyến GPRS ........................................................................... .63 8.5. Quản lý tài nguyên vô tuyến ................................................................. .72 Chương 9: Triển khai GPRS trên mạng thông tin di động GSM tại Việt Nam.................................................................................................... .76 9.1. Đánh giá hiện trạng và nhu cầu............................................................. .76 9.2. Dịch vụ.................................................................................................. .77 9.3. Số lượng thuê bao của mạng ................................................................. .77 9.4. Đánh giá nhu cầu .................................................................................. .77 9.5. Một số đề xuất triển khai dịch vụ GPRS............................................... .78 Bé Gi¸o dôc vμ §μo t¹o Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi Céng hßa x∙ héi chñ nghÜa ViÖt Nam §éc lËp - Tù do - H¹nh phóc nhiÖm vô thiÕt kÕ tèt nghiÖp Hä vµ tªn: Chu ót ThËm Ngµnh häc: §iÖn Tö – ViÔn Th«ng 1. §Çu ®Ò thiÕt kÕ ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 2. C¸c sè liÖu ban ®Çu ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 3. Néi dung c¸c phÇn thuyÕt minh vµ tÝnh to¸n ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 4. C¸c b¶n vÏ ®å thÞ (ghi râ c¸c lo¹i b¶n vÏ, kÝch th−íc c¸c b¶n vÏ) ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 5. C¸n hé h−íng dÉn PhÇn Hä vµ tªn c¸n bé ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 6. Ngµy giao nhiÖm vô thiÕt kÕ: ................................................................................................. 7. Ngµy ph¶i hoµn thµnh: ............................................................................................................... Ngµy... th¸ng ... n¨m 2008 Chñ nhiÖm khoa (Ký tªn vµ ghi râ hä tªn) Ngµy... th¸ng ... n¨m 2008 C¸n bé h−íng dÉn (Ký tªn vµ ghi râ hä tªn) Ngµy... th¸ng ... n¨m 2008 §¸nh gi¸ kÕt qu¶ §iÓm thiÕt kÕ:.......................... §iÓm b¶o vÖ:............................ §iÓm tæng hîp:....................... Ngµy ... th¸ng ... n¨m 2008 Chñ tÞch héi ®ång (Ký tªn vµ ghi râ hä tªn) Ngµy... th¸ng ... n¨m 2008 Sinh viªn thùc hiÖn (Ký tªn vµ ghi râ hä tªn) Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hμ néi B¶n nhËn xÐt thiÕt kÕ tèt nghiÖp Hä vµ tªn: ...................................................................................................................................................... Nghµnh: .................................................................... Khãa: .................................................................... C¸n bé h−íng dÉn:.................................................................................................................................... C¸n bé duyÖt thiÕt kÕ:............................................................................................................................. 1. Néi dung thiÕt kÕ tèt nghiÖp: ....................................................................................................... .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. 2. NhËn xÐt cña ng−êi duyÖt thiÕt kÕ: .......................................................................................... .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. Ngµy..... Th¸ng ....... N¨m 2008 (ký vµ ghi râ hä tªn) §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS Chu ót thËm – 05btt-07®t LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay mạng GSM với những ưu điểm nổi bật như: dung lượng lớn, chất lượng kết nối tốt, tính bảo mật cao … , đã có một chỗ đứng vững chắc trên thị trường Viễn thông thế giới. Ở Việt Nam, khi chúng ta bắt đầu có những máy điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM 900 đầu tiên vào những năm 1993 đã đánh dấu một bước phát triển vượt bậc về công nghệ Viễn thông của đất nước. Các thuê bao di động tại Việt Nam sử dụng dịch vụ thoại truyền thống với tốc độ bit là 13Kbit/s và truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s. Các nhà khai thác GSM trên thế giới đang đứng trước một số giải pháp để có được dịch vụ số liệu truyền tốc độ cao qua mạng thông tin di động hiện có của họ và đang nghiên cứu kế hoạch để chuyển đổi lên công nghệ 3G. Có hai hướng để lựa chọn : một là có thể nâng cấp mạng của họ lên thẳng CDMA (Đa truy nhạp phân chia theo mã) hay nâng cápp lên để có dịch vụ GPRS (General Packet Radio Service – Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp), E – GPRS (Enhanced GPRS – Dịch vụ GPRS nâng cao) và sau đó thì sẽ đầu tư, nâng cấp để loại dần công nghệ GSM tiến lên công nghệ W-CDMA (Đa truy nhập phân kênh theo mã băng rộng). Đối với các nhà khai thác, không thể có được việc nâng cấp thẳng lên công nghệ W-CDMA với các giải pháp đơn giản và chi phí chấp nhận được. Quá trình nâng cấp là một quá trình phức tạp, yêu cầu các phần tử mạng mới và các máy đầu cuối mới. Do vậy, vấn đề cần cân nhắc ở đây chính là các khía cạnh về kinh tế và kỹ thuật cho việc nâng cấp, buộc các nhà khai thác phải suy tính. Chính vì vậy, GPRS là sự lựa chọn của các nhà khai thác GSM như một bước chuẩn bị về cơ sở hạ tầng kỹ thuật, để tiến lên công nghệ thông tin di động thế hệ thứ 3. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS Chu ót thËm – 05btt-07®t Giải pháp GPRS cho hệ thống GSM đã trở thành hiện thực năm 1999. Giống như HSCSD, GPRS cung cấp các dịch vụ số liệu tốc độ cao hơn cho người sử dụng di động. Tuy nhiên dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, GPRS phù hợp với bản chất bùng nổ đột ngột cao của hầu hết các ứng dụng số liệu hơn công nghệ chuyển mạch kênh HSCSD, nó lý tưởng hơn cho các dịch vụ truy nhập cơ sở dữ liệu và thư điện tử, thí dụ những người sử dụng không muốn trả cứoc phí cuộc gọi cao cho các bản tin ngắn. GPRS cũng cho phép người sử dụng nhận các cuộc gọi số liệu. Các tin nhắn cũng được phân phát trực tiếp đến điện thoại của người sử dụng, them chí không cần kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối một cách liên tục. Khi bật máy điện thoại, người sử dụng nhận được một thông báo là họ đang có một tin nhắn. Họ có thể chọn các thông báo tải về ngay lập tức hay cất đi để xem sau. GPRS cũng cung cấp việc thiết lập cuộc gọi nhanh hơn HSCSD và kết nối với mạng sử dụng giao thức IP hiệu quả hơn, bao gồm các mạng Intranet của công ty và các mạng LAN, cũng như Internet. Thông qua việc kết hợp các khe thời gian TDMA khác nhau, GPRS có thể điều khiển tất cả các kiểu truyền dẫn từ các mẫu tin ngắn tốc độ thấp đến các tốc độ cao hơn cần cho việc xem xét các trang Wed. GPRS cung cấp tốc độ số liệu gói cao hơn 100 kbit/s. Tốc độ tối đa là 171,2 kbit/s qua 8 kênh 21,4 kbit/s (sử dụng mã hoá CS-4). §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 1 -  TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1. Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) GSM trước đây được biết như Groupe Spécial Mobile (nhóm di động đặc biệt), là nhóm đã phát triển nó, được thiết kế từ sự bắt đầu như một dịch vụ tế bào số quốc tế. Giao tiếp vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA. Ý định ban đầu là các thuê bao GSM có khả năng di chuyển qua các biên giới quốc gia sẽ nhận được các dịch vụ di động và các tính năng đi theo cùng với họ. Kiểu GSM của Châu Âu hiện nay hoạt động ở tần số 900 MHz cũng như tần số 1800 MHz. Ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng cho dịch vụ PCS 1900 tại vùng đông bắc California và Nevada. Do PCS 1900 sử dụng tần số 1900 MHz, nên các điện thoại không có khả năng kết nối hoạt động với điện thoại GSM hoạt động trong các mạng ở tần số 900 MHz hay 1800 MHz. Tuy nhiên vấn đề này có thể khắc phục được với các máy điện thoại đa băng hoạt động trong nhiều tần số. Vào đầu năm 1980, thị trường hệ thống điện thoại tế bào tương tự đã phát triển rất nhanh ở Châu Âu. Mỗi một nước đã phát triển một hệ thống tế bào độc lập với các hệ thống của các nước khác. Sự phát triển không được hợp tác của các hệ thống thông tin di động quốc gia có nghĩa là sẽ không có khả năng cho thuê bao sử dụng cùng một máy di động cầm tay khi di chuyển trong Châu Âu. Không chỉ các thiết bị di động bị §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 2 -  hạn chế khai thác trong biên giới quốc gia, mà còn có một thị trường rất hạn chế đối với mỗi kiểu thiết bị, vì thế tiết kiệm chi phí có thể không thực hiện được. Ngoài một thị trường trong nước đầy đủ với các mẫu chung, có thể không có một nhà chế tạo nào cạnh tranh được trên thị trường thế giới. Hơn nữa, chính phủ các nước nhận thức rõ là các hệ thống thông tin không tương thích có thể cản trở tiến trình để đạt được một tầm nhìn chiến lược của họ về một Châu Âu với nền kinh tế thống nhất. Với những cân nhắc nêu trên, hội nghị điện thoại điện báo gồm 26 quốc gia Châu Âu (CEPT) đã thành lập một nhóm nghiên cứu gọi là Groupe Speciale Mobile vào năm 1982 để nghiên cứu và phát triển một hệ thống thông tin liên Châu Âu. Đến năm 1986 tình hình trở nên khả quan hơn vì một số mạng tế bào tương tự hiện tại có thể sử dụng hết dung lượng vào năm 1990. CEPT khuyến nghị rằng hai khối tần số trong băng tần 900 MHz được dự trữ cho hệ thống mới. Tiêu chuẩn GSM chỉ rõ các băng tần từ 890 đến 915MHz cho băng thu và từ 935 đến 960 MHz cho băng phát với mỗi băng được chia thành các kênh 200 KHz. Hệ thống thông tin di động được CEPT đưa ra đã đáp ứng được các tiêu chuẩn như sau: - Cung cấp âm thoại chất lượng cao. - Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế. - Hỗ trợ các thiết bị đầu cuối cầm tay. - Hỗ trợ một loạt các dịch vụ và các thiết bị mới. - Cung cấp hiệu quả phổ tần số. - Cung cấp khả năng tương thích với ISDN. - Cung cấp với chi phí dịch vụ và đầu cuối thấp. Vào năm 1989, việc phát triển các đặc tính kỹ thuật của GSM đã được chuyển từ CEPT đến Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI). §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 3 -  ETSI được thành lập vào năm 1988 để thiết lập các tiêu chuẩn viễn thông cho Châu Âu và hợp tác với các tổ chức tiêu chuẩn khác, các lĩnh vực liên quan đến truyền hình và công nghệ thông tin văn phòng. ESTI đã ấn bản các đặc tính kỹ thuật giai đoạn 1 của GSM vào năm 1990. Dịch vụ thương mại đã bắt đầu vào giữa năm 1991. Đến năm 1993 đã có 36 mạng GSM tại 22 nước, và thêm 25 nước đã lựa chọn hoặc bắt đầu GSM. Từ đó, GSM đã được chấp nhận ở Nam Phi, Úc, và rất nhiều nước vùng Trung Đông và Viễn Đông. Tại Bắc Mỹ, GSM được dùng để thực hiện PCS. Đến cuối năm 1998 đã có 323 mạng GSM ở 118 nước phục vụ cho 138 triệu thuê bao, đến nay đã có hơn 2 tỉ người dùng trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Hệ thống GSM được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobilephone communications). Mạng thông tin di động GSM là mạng thông tin di động số Cellular gồm nhiều ô (cell). Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng, có hình dạng (trên lý thuyết) là một tổ ong hình lục giác. Trong mỗi cell có một đài vô tuyến gốc BTS (Base Transceiver Station) liên lạc với tất cả các trạm di động MS (Mobile Station) có mặt trong cell. Khi MS di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của cell, nó phải được chuyển giao sang làm việc với BTS của cell khác. Đặc điểm của hệ thống thông tin di động Cellular là việc sử dụng lại tần số và diện tích của mỗi cell khá nhỏ. Mỗi cell sử dụng một nhóm tần số kênh vô tuyến. Các chữ cái A, B, C,...vừa là tên của cell, vừa biểu thị một nhóm xác định các tần số vô tuyến được sử dụng trong cell đó. Nhóm tần số được sử dụng nhiều lần cho các cell với khoảng cách đủ lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau không đáng kể. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 4 -  Thông thường, một cuộc gọi di động không thể kết thúc trong một cell nên hệ thống thông tin di động cellular phải có khả năng điều khiển và chuyển giao (handover) cuộc gọi từ cell này sang cell lân cận mà cuộc gọi được chuyển giao không bị gián đoạn. 1.2. Các chức năng của hệ thống GSM Các đặc tính chủ yếu của hệ thống GSM như sau: • Có thể phục vụ được một số lớn các dịch vụ và tiện ích cho thuê bao cả trong thông tin thoại và truyền số liệu. * Đối với thoại có thể có các dịch vụ: - Chuyển hướng cuộc gọi vô điều kiện - Chuyển hướng cuộc gọi khi thuê bao di động bận - Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế - Giữ cuộc gọi - Thông báo cước phí - Nhận dạng số chủ gọi... * Đối với dịch vụ số liệu: - Truyền số liệu - Dịch vụ nhắn tin: các gói thông tin có kích cỡ 160 ký tự có thể lưu giữ . • Sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng sẵn có: * PSTN – Publich Switched Telephone Network (Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng). §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 5 -  * ISDN – Integrated Service Digital Network (mạng số tổ hợp dịch vụ) bởi các giao diện theo tiêu chuẩn chung. Cho phép các thuê bao lưu động (roaming) ở các nước với nhau cùng sử dụng hệ thống GSM một cách hoàn toàn tự động. Nghĩa là thuê bao có thể mang máy di động đi mọi nơi và mạng sẽ tự động cập nhật thông tin về vị trí của thuê bao đồng thời thuê bao có thể gọi đi bất cứ nơi nào mà không cần biết thuê bao khác đang ở đâu. • Sử dụng băng tần 900 MHz với hiệu quả cao bởi sự kết hợp giữa hai phương pháp TDMA, FDMA. • Giải quyết sự hạn chế dung lượng: Thực chất dung lượng sẽ tăng lên nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật chia ô nhỏ, do vậy số thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên. • Tính linh hoạt cao nhờ sử dụng các loại máy thông tin di động khác nhau: máy cầm tay, máy xách tay, máy đặt trên ô tô ... • Tính bảo mật: Mạng kiểm tra sự hợp lệ của mỗi thuê bao GSM bởi thẻ đăng ký SIM (Subcriber Identity Module). Thẻ SIM sử dụng mật khẩu PIN (Personal Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng của người sử dụng hợp pháp. SIM cho phép người sử dụng sử dụng nhiều dịch vụ và cho phép người dùng truy nhập vào các PLMN (Public Land Mobile Network) khác nhau. Đồng thời trong hệ thống GSM còn có trung tâm nhận thực AuC, trung tâm này cung cấp mã bảo mật chống nghe trộm cho từng đường vô tuyến và thay đổi cho từng thuê bao. 1.3. Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động GSM: §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 6 -  25 Mhz 200 Khz 25 Mhz 200 Khz 890 Mhz 915 Mhz 935 Mhz 960 Mhz B¨ng tÇn lªn (Tõ MS - BTS) B¨ng tÇn xuèng (Tõ BTS - MS) 882 Mhz 915 Mhz 927 Mhz 960 Mhz 1710 Mhz 1785 Mhz 1805 Mhz 1880 Mhz GSM më réng DSC Hình 1.1- Băng tần cơ bản và mở rộng của GSM Hệ thống GSM làm việc trong băng tần 890 – 960MHz. Băng tần này được chia làm 2 phần: - Băng tần lên (Uplink band): 890 – 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ trạm di động đến hệ thống trạm thu phát gốc. - Băng tần xuống (Downlink band): 935 – 960 MHz cho các kênh vô tuyến từ trạm thu phát gốc đến trạm di động. Mỗi băng rộng 25MHz, được chia thành 124 sóng mang. Các sóng mang cạnh nhau cách nhau 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt, một cho đường lên, một cho đường xuống. Các kênh này được gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa hai tần số là không đổi và bằng 45 MHz, được gọi là khoảng cách song công. Kênh vô tuyến này mang 8 khe thời gian mà mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi thông tin giữa trạm thu phát và trạm di động. Ngoài băng tần cơ sở như trên còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần DCS (Digital Cellular System). 1.4. Phương pháp truy nhập trong thông tin di động §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 7 -  Ở giao diện vô tuyến, MS và BTS liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến. Để tài nguyên tần số có hạn có thể phục vụ càng nhiều thuê bao di động, ngoài việc sử dụng lại tần số, số kênh vô tuyến được dùng theo kiểu trung kế. Hệ thống trung kế vô tuyến là hệ thống vô tuyến có số kênh sẵn sàng phục vụ ít hơn số người dùng khả dĩ. Phương thức để sử dụng chung các kênh gọi là phương pháp đa truy nhập: người dùng khi có nhu cầu thì được đảm bảo về sự truy nhập vào trung kế. • Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access): Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau. Phổ tần số được chia thành 2N dải tần số con kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ. Mỗi dải tần được gán cho một kênh liên lạc, trong đó kênh tần số N dành cho liên lạc hướng lên, N kênh tần số còn lại cho liên lạc hướng xuống. Mỗi người dùng được cấp phát một kênh tần số riêng biệt trong tập hợp các kênh tần số. • Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access): Khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến được ấn định. Các thuê bao khác nhau dùng chung 1 kênh tần số nhờ cài xen thời gian. Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian (time slot) trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe. • Đa truy nhập theo mã CDMA (Code Division Multiple Access): Là phương pháp trải phổ tín hiệu, thực hiện là gán cho mỗi MS một mã riêng biệt cho phép nhiều MS cùng thu, phát độc lập trên một băng tần nên tăng dung lượng cho hệ thống. Hiện tại công nghệ CDMA đang được triển khai tại một số quốc gia. Tại Việt Nam hiện có mạng thông tin di động S-Fone của công ty Cổ phần Viễn thông Sài Gòn (SPT) và mạng EVN – Telecom của Công ty Thông tin Viễn thông Điện Lực đang sử dụng công nghệ này. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 8 -  Ngoài ra còn có phương pháp truy nhập theo không gian SDMA. Mạng GSM sử dụng phương pháp TDMA kết hợp FDMA. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 9 -  CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2.1. Cấu trúc hệ thống Hệ thống thông tin di động gồm nhiều phần tử chức năng. Mạng GSM được phân chia thành các phân hệ: PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng ISDN : Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng • Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem) bao gồm các khối chức năng: §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 10 -  - Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Switching Center) - Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register) - Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register) - Trung tâm nhận thực AuC (Authentication Center) - Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identification Register) - Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng GMSC (Gateway Mobile Switching Center). • Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) bao gồm các khối: - Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Center) - Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) • Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS (Operation and Support System)bao gồm các khối chức năng: - Trung tâm quản lý mạng NMC (Network Management Center) - Trung tâm quản lý và bảo dưỡng OMC (Operation & Maintenance Center). • Trạm di động MS (Mobile Station): - Thiết bị di động ME (Mobile Equipment) - Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module) 2.2. Chức năng các phần tử trong mạng GSM 2.2.1 Phân hệ chuyển mạch NSS §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 11 -  Phân hệ chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của hệ thống chuyển mạch là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM và các mạng khác. • Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC MSC là một tổng đài thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch và báo hiệu của MS nằm trong vùng địa lý do MSC quản lý. MSC khác với một tổng đài cố định là nó phải điều phối cung cấp các tài nguyên vô tuyến cho thuê bao và MSC phải thực hiện thêm ít nhất hai thủ tục: - Thủ tục đăng ký - Thủ tục chuyển giao MSC một mặt giao tiếp với BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài. MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng (GMSC), có chức năng tương tác IWF (InterWorking Function) để thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GMS và các mạng ngoài. Phân hệ chuyển mạch giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM. MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số bộ điều khiển trạm gốc BSC. • Bộ ghi định vị thường trú HLR HLR là một cơ sở dữ liệu quan trọng trong mạng có chức năng quản lý thuê bao. Một PLMN có thể có một hoặc nhiều HLR phụ thuộc vào lượng thuê bao. HLR lưu hai loại số gán cho mỗi thuê bao di động, đó là: §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 12 -  + MSISDN: số danh bạ (số thuê bao) Cấu trúc: MSISDN = CC + NDC + SN CC: Mã quốc gia (Việt nam: 84) NDC: Mã mạng (Viettel: 98, Vinaphone: 91, Mobiphone: 90) SN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số) Ví dụ: 84.98.5101300 + IMSI: Số nhận dạng thuê bao dùng để báo hiệu trong mạng Cấu trúc: IMSI = MCC + MNC + MSIN MCC: Mã quốc gia (Việt Nam: 452) MNC: Mã mạng ( Viettel: 04, Vinaphone: 02, Mobiphone: 01) MSIN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số) Ví dụ: 84.98.5101300 - 452.04.5101300 Như vậy, với một số MSISDN sẽ tương ứng với một số IMSI và chỉ tồn tại một số IMSI duy nhất trong toàn hệ thống GSM. IMSI được sử dụng để MS truy nhập vào cơ sở dữ liệu. Cơ sở dữ liệu chứa các thông tin sau: - Thông tin thuê bao dịch vụ thoại và phi thoại mang (bearer service). - Giới hạn dịch vụ (giới hạn roaming) - Các dịch vụ hỗ trợ. HLR chứa các thông số của dịch vụ này; tuy nhiên nó còn có thể được lưu trong card thuê bao. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 13 -  Như vậy, HLR không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng ngàn thuê bao. Khi mạng có thêm một thuê bao mới, thì các thông tin về thuê bao sẽ được đăng ký trong HLR. • Trung tâm nhận thực AuC AuC kết nối với HLR, cung cấp các thông số hợp thức hoá và các khoá mã để đảm bảo chức năng bảo mật. • Bộ ghi định vị tạm trú VLR VLR là cơ sở dữ liệu lớn thứ hai trong mạng, lưu trữ tạm thời số liệu thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và lưu trữ số liệu về vị trí của thuê bao. Khi MS vào một vùng định vị mới, nó phải thực hiện thủ tục đăng ký. MSC quản lý vùng này sẽ tiếp nhận đăng ký của MS và truyền số nhận dạng vùng định vị (LAI) nơi có mặt thuê bao tới VLR. Một VLR có thể phụ trách một hoặc nhiều vùng MSC. Các thông tin cần để thiết lập và nhận một cuộc gọi của MS được lưu trong cơ sở dữ liệu của VLR. Đối với một số dịch vụ hỗ trợ, VLR có thể truy vấn các thông tin từ HLR: IMSI (nhận dạng máy di động quốc tế), MSISDN (ISDN của máy di động), số chuyển vùng của thuê bao MS (MSRN), số nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI), số nhận dạng thuê bao di động nội bộ (LMSI) và vùng định vị nơi đăng ký MS. VLR cũng chứa các thông số gán cho mỗi MS và được nhận từ VLR. • Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR Thực thể chức năng này chứa một hoặc nhiều cơ sở dữ liệu lưu trữ các IMEI (số nhận dạng thiết bị) sử dụng trong hệ thống GSM. EIR được nối với MSC qua một đường báo hiệu, nhờ vậy MSC có thể kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị. • Trung tâm chuyển mạch dịch vụ cổng GMSC §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 14 -  Để thiết lập một cuộc gọi phải định tuyến đến tổng đài mà không cần biết vị trí hiện thời của thuê bao. GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời. GMSC có giao diện báo hiệu số 7 để có thể tương tác với các phần tử khác của hệ thống chuyển mạch. 2.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS BSS thực hiện kết nối các MS với các tổng đài, do đó liên kết người sử dụng máy di động với những người sử dụng dịch vụ viễn thông khác. BSS cũng phải được điều khiển nên được kết nối với OSS. • Trạm thu phát gốc BTS BTS giao diện với MS xử lý các tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ). • Bộ điều khiển trạm gốc BSC BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ BTS và MS như ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một BSC có thể quản lý nhiều BTS. Số lượng BTS mà BSC có thể quản lý phụ thuộc vào lưu lượng của BTS. 2.2.3 Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS OSS thực hiện chức năng khai thác, bảo dưỡng và quản lý toàn hệ thống. • Trung tâm quản lý mạng NMC NMC được đặt tại trung tâm của hệ thống, chịu trách nhiệm cung cấp chức năng quản lý cho toàn bộ mạng. - Giám sát các nút trong mạng §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 15 -  - Giám sát các trạng thái các bộ phận của mạng - Giám sát trung tâm bảo dưỡng và khai thác OMC của các vùng và cung cấp thông tin đến các bộ phận OMC. • Trung tâm quản lý và khai thác OMC OMC cung cấp chức năng chính để điều khiển và giám sát các bộ phận trong mạng (các BTS, MSC, các cơ sở dữ liệu...). OMC có các chức năng: quản lý cảnh báo, quản lý sự cố, quản lý chất lượng, quản lý cấu hình và quản lý bảo mật. 2.2.4 Trạm di động MS MS là thiết bị đầu cuối chứa các chức năng vô tuyến chung, xử lý giao diện vô tuyến và cung cấp các giao diện với người dùng (màn hình, loa, bàn phím ... ). Một trạm di động gồm hai phần chính: - ME (Mobile Equipment - thiết bị di động): là phần cứng được dùng để thuê bao truy nhập vào mạng. ME chứa kết cuối di động (MT) phụ thuộc vào ứng dụng và các dịch vụ, có thể kết hợp các nhóm chức năng thích ứng đầu cuối (TA) và thiết bị đầu cuối (TE) khác nhau. - SIM (Subscriber Identity Module – modul nhận dạng thuê bao): gắn chặt với người dùng trong vai trò một thuê bao duy nhất, có thể làm việc với nhiều ME khác nhau. SIM là một card điện tử thông minh được cắm vào ME để nhận dạng thuê bao và tin tức bảo vệ loại dịch vụ mà thuê bao đăng ký. SIM có phần cứng và phần mềm cần thiết với bộ nhớ có thể lưu trữ thông tin. Có hai loại thông tin là thông tin cố định và thông tin thay đổi: + Thông tin cố định: §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 16 -  * Số nhận dạng thuê bao MSISDN, IMSI. Thuê bao sẽ được kiểm tra tính hợp lệ trước khi truy nhập vào mạng thông qua số nhận dạng IMSI được thực hiện bởi trung tâm nhận thực AuC. * Mã khoá cá nhân Ki. + Thông tin thay đổi: * Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI * Số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI Một số TMSI sẽ tương ứng với một IMSI được cấp phát tạm thời để tăng tính bảo mật cho quá trình báo hiệu giữa MS và hệ thống. TMSI sẽ thay đổi khi MS cập nhật lại vị trí. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 17 -  CHƯƠNG 3: MẠNG BÁO HIỆU VÀ CÁC KHÍA CẠNH MẠNG 3.1. Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM Mạng thông tin di động GSM sử dụng hệ thống báo hiệu số 7 (báo hiệu kênh chung) để thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi. Báo hiệu số 7 là mạng dữ liệu chuyển mạch gói được thiết kế để trao đổi báo hiệu. PLMN PSTN ISDN GMSC AuC EIR HLR VLR MAP MAP ISUP DTAP (part of BSSAP) BSSMAP (part of BSSAP) Abis Um R2 National ISUP TUP MS H×nh 3.1: C¸c giao thøc b¸o hiÖu trong m¹ng GSM • Các giao thức giữa BSC-BTS-MS §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 18 -  Các giao thức này sử dụng trong các giao diện Um và Abis theo chuẩn của ETSI. Các giao thức này hỗ trợ các chức năng của BTS và BSC như sau: - Gửi các thông tin của mạng và cell. Thông tin được cập nhật từ BSC, truyền liên tục tới BTS và lưu trong BTS. - Nhắn tin: được khởi tạo từ MSC cho phép BSC hoạt động thông qua BSSMAP. BSC lần lượt cho phép các BTS trong một vùng định vị hoạt động. Các BTS gửi các cuộc gọi nhắn, kiểm tra tín hiệu trả lời và gửi thông báo tới BSC. BTS cũng nhận các cuộc nhắn tin từ MS và gửi tới BSC. - Cung cấp và giải phóng kênh điều khiển (SDCCH). BSC thực hiện các chức năng này, BTS sẽ xử lý trao đổi các thông tin tới /từ MS. - Cung cấp và giải phóng kênh lưu lượng (TCH) để thiết lập, xoá và chuyển giao. BSC thực hiện các chức năng này và BTS xử lý các khối kênh liên quan. - Nhận định hoàn thành việc chuyển giao. BTS báo với BSC khi nó đã phát hiện có tín hiệu của MS trên kênh lưu lượng mới. - Điều khiển mã hóa/giải mã. BTS thực hiện chức năng kích hoạt và giải phóng việc mã hoá theo yêu cầu của BSC. - Điều khiển các mã thoại và thích ứng tốc độ của các kênh thông tin. Thiết bị thích ứng tốc độ mã hoá (TRAU) thường được đặt trong BSC nhưng được điều khiển bởi BTS xác định các kênh lưu lượng. - Kiểm tra chất lượng truyền dẫn và độ dài tín hiệu trong các kênh hướng lên đang hoạt động và ở chế độ Idle (rỗi). Kiểm tra được thực hiện ở BTS và được thông báo tới BSC. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 19 -  - Giao diện vô tuyến cũng bao gồm các chức năng được tự động xử lý bởi BTS. - Thông tin đồng bộ và số nhận dạng MS được gửi liên tục tới BTS. - Chức năng điều khiển tần số được xử lý bởi BTS, các tín hiệu điều khiển này được gửi liên tục từ BTS. Giao diện vô tuyến cũng có các chức năng: mã hoá kênh, ghép kênh, quản lý Burst, TDMA và điều chế. • Các giao thức giữa MSC-BSC và MSC-MS: Giao thức báo hiệu BSSAP chứa các phần tử sau: các bản tin BSSMAP, DTAP và INTIAL MS. - Các bản tin DTAP trao đổi giữa MSC và MS để đăng ký và nhận thực khi MS tắt. Các bản tin TDAP được chuyển qua BSC và BTS. - Các bản tin khởi tạo MS (IMSI) được truyền giữa MSC và MS để cập nhật vị trí và nhắn tin. - BSSMAP là giao thức được sử dụng giữa MSC và BSC để nhắn tin, thực hiện cuộc gọi, chuyển giao, cung cấp, duy trì các kênh lưu lượng và để mã hoá trong BTS, MS. Giao thức này cũng được dùng để duy trì các khe thời gian trên các kênh PCM giữa MSC và BSC. • Các giao thức giữa các trung tâm chuyển mạch di động MSC Khi thực hiện chuyển giao giữa các MSC, MAP được sử dụng báo hiệu chuyển giao trong khi ISUP được sử dụng để thiết lập và xoá các kết nối. • Các giao thức giữa GMSC và MSC ISUP được sử dụng giống như trong PSTN/ISDN. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 20 -  • Các giao thức giữa MSC và HLR, VLR, AuC và EIR MAP được sử dụng cho tất cả các báo hiệu. Nó hỗ trợ đăng ký, báo hiệu các số roaming, nhận thực và nhận dạng thiết bị. • Các giao thức với các mạng ngoài Sử dụng TUP, ISUP và các giao thức liên quan tới kênh. 3.2. Các giao diện trong hệ thống GSM Abis: BSC – BTS Um (vô tuyến): MS-BTS A: BSC – MSC E: MSC – MSC B: MSC – VLR F: MSC – EIR C: MSC – HLR G: VLR – VLR D: VLR – HLR H: HLR – AuC 3.3. Các khía cạnh mạng 3.3.1 Quản lý tài nguyên vô tuyến Quản lý tài nguyên vô tuyến là một lớp chức năng trong quản lý mạng, được xem xét thông qua việc thiết lập một kênh truyền giữa MS và MSC. Các phần tử chức năng chính là MS, BSS và MSC. RR quản lý một phiên RR là thời gian mà thiết bị di động ở một trạng thái xác định sử dụng các kênh vô tuyến. Một phiên RR được khởi tạo từ MS thông qua một thủ tục truy nhập mạng hoặc cho cuộc gọi đi hoặc nhận bản tin nhắn. Khi nào một kênh được cung cấp cho MS hay phân kênh nhắn sẽ được xử lý trong lớp RR. Hơn nữa, lớp RR cũng quản lý cả các đặc tính vô tuyến như điều khiển công suất, truyền nhận gián đoạn và định thời. • Chuyển giao (Handover) §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 21 -  Trong mạng cellular, các kênh vô tuyến và cố định không được cấp phát lâu dài cho một cuộc gọi. Cuộc gọi sẽ được chuyển sang một kênh hoặc một cell khác, được gọi là chuyển giao. Việc kiểm tra và thực hiện chuyển giao tạo nên một trong những chức năng cơ bản của lớp RR. Có 4 loại chuyển giao khác nhau trong hệ thống GSM, được thực hiện giữa: - Các kênh (các khe thời gian) trong cùng một cell - Các cell (BTS) do một BSC điều khiển - Các cell dưới sự điều khiển của nhiều BSC khác nhau nhưng thuộc cùng một MSC - Các cell của các MSC khác nhau Hai loại chuyển giao đầu tiên gọi là chuyển giao cục bộ. Để tiết kiệm băng thông báo hiệu, việc chuyển giao chỉ do BSC mà không cần MSC quản lý và chỉ thông báo cho MSC khi hoàn thành chuyển giao. Hai loại chuyển giao còn lại là chuyển giao ngoài do các MSC quản lý. Chuyển giao có thể được khởi tạo từ MS hoặc từ MSC. Trong khi các khe thời gian ở trạng thái chờ, MS quét kênh điều khiển quảng bá (BCCH) trong 16 cell lân cận, chọn ra 6 cell tốt nhất để phục vụ chuyển giao dựa trên độ dài tín hiệu nhận được. Thông tin này được truyền tới BSC và MSC ít nhất 1 giây một lần. • Chuyển giao trong cùng một BSC: Ở trường hợp này BSC phải thiết lập một đường nối đến BTS mới, dành riêng một TCH của mình và ra lệnh cho MS phải chuyển đến 1 tần số mới đồng thời cũng chỉ ra một TCH mới. Tình huống này không đòi hỏi thông tin gì đến phần còn lại của mạng. Sau khi chuyển giao MS phải nhận được các thông tin mới và các ô lân cận. Nếu như việc thay §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 22 -  đổi đến BTS mới cũng là thay đổi vùng định vị thì MS sẽ thông báo cho mạng về LAI của mình và yêu cầu cập nhật vị trí. • Chuyển giao giữa hai BSC khác nhau nhưng cùng một MSC/VLR: Trường hợp này cho thấy sự chuyển giao trong cùng một vùng phục vụ nhưng giữa hai BSC khác nhau. Mạng can thiệp nhiều hơn khi quyết định chuyển giao. BSC phải yêu cầu chuyển giao từ MSC/VLR. Sau đó có một đường nối thông mới (MSC/VLR ⇔ BSC mới ⇔ BSC mới) phải được thiết lập nếu có TCH rỗi. TCH này phải được dành cho chuyển giao. Sau đó khi MS nhận được lệnh chuyển đến tần số mới và TCH mới. Ngoài ra, sau khi chuyển giao MS được thông báo về các ô lân cận mới. Nếu việc thay đổi BTS cùng với việc thay đổi vùng định vị MS sẽ gửi đi yêu cầu cập nhật vị trí trong quá trình cuộc gọi hay sau cuộc gọi. • Chuyển giao giữa hai vùng phục vụ MSC/VLR: Đây là trường hợp chuyển giao phức tạp nhất nhiều tín hiệu được trao đổi trước khi thực hiện chuyển giao. Ta sẽ xét 2 MSC/VLR, gọi MSC/VLR cũ (tham gia cuộc gọi trước khi chuyển giao) là tổng đài phục vụ và MSC/VLR mới là tổng đài đích. Tổng đài cũ sẽ gửi yêu cầu chuyển giao đến tổng đài đích. Sau đó, tổng đài đích sẽ đảm nhận việc chuẩn bị nối ghép tới BTS mới. Sau khi thiết lập đường nối giữa hai tổng đài cũ sẽ gửi đi lệnh chuyển giao đến MS. 3.3.2 Quản lý di động Quản lý di động cũng là một lớp chức năng, là lớp trên lớp RR, xử lý các chức năng di động của thuê bao và thực hiện nhận thực và bảo mật. Quản lý vị trí liên quan tới các thủ tục cho phép hệ thống biết vị trí hiện tại của thiết bị di động để thực hiện định tuyến các cuộc gọi. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 23 -  • Cập nhật vị trí MS được thông báo có một cuộc gọi đến bởi một bản tin ngắn được gửi qua kênh PAGCH của cell. Một phần của kênh được sử dụng để nhắn trong mỗi cell trong mạng, một phần được dùng để MS truyền các bản tin cập nhật vị trí ở cấp độ cell tới mạng. Do đó các bản tin nhắn được gửi chính xác tới một cell nhưng sẽ rất lãng phí băng thông do số lượng các bản tin cập nhật vị trí lớn. Một giải pháp được thực hiện trong GSM là nhóm các cell thành các vùng định vị LA (Location Area). Chỉ khi LA thay đổi, MS mới gửi các bản tin cập nhật và các MS được nhắn trong các cell của vùng định vị. Các thủ tục cập nhật và định tuyến cuộc gọi thực hiện trong MSC, VLR và HLR. Khi MS vào một LA mới hoặc PLMN của một nhà vận hành khác, nó phải đăng ký với mạng để chỉ ra vị trí hiện tại của mình. Thông thường, bản tin cập nhật vị trí được gửi tới MSC/VLR mới mà lưu các thông tin về vùng định vị, sau đó gửi các thông tin này tới HLR của thuê bao. Thông tin được gửi tới HLR là địa chỉ SS7 của VLR mới, nó có thể là số định tuyến. Nếu thuê bao được phép sử dụng dịch vụ, HLR gửi một tập các thông tin cần cho việc điều khiển cuộc gọi tới MSC/VLR mới và gửi một bản tin tới MSC/VLR cũ để xoá đăng ký cũ. Để đảm bảo độ tin cậy, GSM thực hiện một thủ tục cập nhật vị trí định kỳ. Thủ tục này liên quan tới cập nhật vị trí là gán và tách IMSI (IMSI attach/detach). Thực hiện detach chỉ ra rằng mạng không thể đạt tới MS nữa và không phải cấp phát các kênh và gửi bản tin nhắn. Một Attach tương tự như cập nhật vị trí thông báo cho mạng MS trở lại trạng thái hoạt động. • Nhận thực và bảo mật §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 24 -  Vì tài nguyên vô tuyến có thể được truy nhập bởi bất kỳ người nào, nên việc nhận thực người sử dụng là thành phần rất quan trọng trong mạng di động. Nhận thực được thực hiện giữa SIM card trong MS và trung tâm nhận thực AuC. Mỗi thuê bao có một khoá bảo mật, được lưu đồng thời trong SIM và AuC. Trong khi nhận thực AuC sẽ phát số ngẫu nhiên tới MS. Cả MS và AuC sau đó sử dụng số ngẫu nhiên này cùng với mã bảo mật của thuê bao và thuật toán mã hoá để phát một đáp ứng được ký hiệu (SRES) lại AuC. Nếu số được gửi từ MS giống với số được tính toán trong AuC, thuê bao sẽ được nhận thực. Một cấp bảo mật khác được thực hiện trong MS, mỗi thiết bị GSM được nhận dạng bởi số IMEI và được nhận thực bởi số này. 3.3.3 Quản lý truyền thông Quản lý truyền thông (CM) là lớp trên cùng, phục vụ điều khiển cuộc gọi, quản lý dịch vụ hỗ trợ và quản lý dịch vị bản tin ngắn. Mỗi chức năng được xem xét là một phân lớp trong lớp CM. Các chức năng của một phân lớp bao gồm thiết lập, lựa chọn một dịch vụ và xoá một cuộc gọi. • Định tuyến cuộc gọi Không giống như định tuyến một cuộc gọi trong mạng cố định mà thiết bị được kết nối với bộ phận trung tâm, người sử dụng GSM có thể chuyển vùng quốc gia và quốc tế. Số quay trực tiếp để đạt tới thuê bao di động được gọi là MSISDN, được định nghĩa bởi kế hoạch đánh số E.164. Một cuộc gọi kết cuối di động được gửi tới chức năng GMSC. GMSC là một bộ chuyển mạch kết nối với HLR lấy các thông tin định tuyến. Do đó nó có một bảng các MSISDN tới HLR tương ứng. Thông §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 25 -  tin định tuyến được gửi lại GMSC là số roaming di động (MSRN). Các MSRN liên quan tới kế hoạch đánh số vùng địa lý, không được cung cấp cho thuê bao. Thủ tục định tuyến thường được sử dụng nhất bắt đầu với việc truy vấn HLR của thuê bao bị gọi để lấy MSRN. HLR chỉ lưu các địa chỉ SS7 VLR hiện tại của thuê bao mà không có MSRN. HLR do đó phải truy vấn VLR hiện tại của thuê bao mà cung cấp tạm thời MSRN. MSRN này được gửi lại HLR và GMSC, sau đó cuộc gọi được định tuyến tới MSC mới. Tại MSC mới, IMSI tương ứng MSRN được kiểm tra và thiết bị di động được nhắn trong vùng định vị hiện tại đang có mặt. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 26 -  CHƯƠNG 4: GIAO TIẾP VÔ TUYẾN Giao tiếp vô tuyến là tên gọi chung của đấu nối giữa MS và BTS. Giao tiếp sử dụng khái niệm TDMA với một khung TDMA cho một tần số mang. Một khung gồm 8 khe thời gian (Time Slot - TS). 4.1. Khái niệm về các kênh vô tuyến Mạng GSM/PLMN được dành 124 kênh sóng mang, sóng này ở dải tần: - Đường lên ( MS - BTS ) : 890 - 915 MHz . - Đường xuống ( BTS - MS ) : 935 - 960 MHz . Băng tần đường lên 890,2 – 914,8 MHz và đường xuống 935,2 – 959,8 MHz. Mỗi tần số sóng mang cách nhau 200 KHz, trên mỗi sóng mang thực hiện ghép kênh theo thời gian, thực hiện ghép khung TDMA ta có số kênh bằng: 124 x 8 (TS) = 992 kênh. 4.1.1 Kênh vật lý: Kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến của GSM. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA dài 4,615 ms gồm có 8 khe thời gian (một khe dài 577 μs). Tại BTS, các khung TDMA ở các kênh tần số ở cả đường lên và đường xuống đều được đồng bộ, mỗi MS được cấp một khe thời gian có cùng số thứ tự ở hướng lên hay hướng xuống để truyền bán song công. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 27 -  Về mặt thời gian, các kênh vật lý ở một kênh tần số được tổ chức theo cấu trúc khung, đa khung, siêu đa khung, siêu siêu khung như hình vẽ: 1 siªu siªu khung = 2048 siªu khung = 2715648 khungTDMA (3h28’53”760ms) 0 1 2 5049TCH BCCH0 25 0 1 49 50TCH0 1 24 25TCH 0 1 2 3 4 5 6 7 2045 2046 20470 1 2 n 1 siªu khung = 1326 khung (6,12s) 1 siªu khung = 1326 khung (6,12s) 1 ®a khung = 26 khung (120ms) 1 ®a khung = 51 khung (235ms) 1 khung TDMA = 8 TS Burst = 156,25 bit periods = 0,577 ms Hình 4.1- Tổ chức khung, đa khung 4.1.2 Kênh logic: Các kênh logic là các kênh được phân biệt theo chức năng, mang các thông tin điều khiển, báo hiệu giữa BTS và MS. Các kênh logic này §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 28 -  được đặt vào các kênh vật lý nói trên. Có thể chia các kênh logic này gồm hai loại kênh: Các kênh lưu lượng (TCH) và các kênh báo hiệu điều khiển. • Kênh lưu lượng (TCH - Traffic Channel): Các kênh lưu lượng này gồm hai loại được định nghĩa như sau: - Bm hay TCH toàn tốc (TCH/F - Traffic Channel at Fullrate): Kênh này mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 22,8 Kbps. - Lm hay TCH bán tốc (TCH/H - Traffic Channel at Halfrate): Kênh này mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 11,4 Kbps. • Kênh báo hiệu điều khiển : Các kênh báo hiệu điều khiển được chia làm ba loại: Kênh điều khiển quảng bá, kênh điều khiển chung, kênh dành riêng. - Kênh điều khiển quảng bá (BCCH - Broadcast Common Control Channel): Kênh phát quảng bá các thông tin chung về ô. Các bản tin này gọi là thông tin hệ thống, BCCH chỉ sử dụng cho đường xuống. - Các kênh điều khiển chung (CCCH - Common Control Channel) gồm: Kênh tìm gọi (PCH - Paging Channel) sử dụng cho đường xuống để tìm gọi máy di động. Kênh thâm nhập ngẫu nhiên (RACH - Random Access Channel) được MS dùng để yêu cầu cung cấp một kênh dành riêng SDCCH. Kênh cho phép thâm nhập (AGCH - Access Grant Channel) chỉ được sử dụng ở đường xuống để chỉ định một kênh SDCCH cho MS. - Các kênh điều khiển dành riêng (DCCH-Dedicated Control Channel) gồm: §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 29 -  Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình (SDCCH - Stand Alone DCCH) chỉ được sử dụng dành riêng cho báo hiệu với một MS. Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH - Slow Associcated Control Channel) liên kết với một TCH hay một SDCCH. Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH - Fast Associcated Control Channel) liên kết với một TCH. FACCH làm việc ở chế độ lấy lén bằng cách thay đổi lưu lượng tiếng hay số liệu bằng báo hiệu. Kênh quảng bá (CBCH - Cellular Broadcast Channel): Chỉ được dùng đường xuống để phát quảng bá các bản tin ngắn (SMSCB) cho các tế bào CBCH sử dụng cùng kênh vật lý như kênh SDCCH. 4.2. Sắp xếp các kênh logic ở các kênh vật lý Xét một BTS với n sóng mang (truyền song công, mỗi sóng mang Co, ...,Cn) có 8 khe thời gian Ts. Với Co đường xuống, TSo được dùng chỉ định sắp xếp các kênh điều khiển. BCCH CCCH đường xuống Ghép các BCH và CCCH ở TS0: - Tso ở sóng mang Co, đường lên xuống chứa các kênh FCCH, SCH và BCCH, nó được dùng để thâm nhập BCCH, FCCH, SCH, FCH, 0 1 2 .......... 7 0 1 2 .......... 7 0 1 2 0 1 2 .......... 7 0 1 2 .......... 7 0 1 2 .......... F S B C F S C C F S C C F S C Các khung TDM §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 30 -  AGCH đường xuống riêng RACH ở đường lên. - Đối với TS1 được sử dụng để sắp xếp các kênh điều khiển dành riêng lên các kênh vật lý, do tốc độ bit trong quá trình thiết lập cuộc gọi và đăng ký khá thấp nên có thể 8 SDCCH ở một TS1, sử dụng TS hiệu quả hơn. Các cách ghép kênh ở TS1: - CDCCH + SACCH đường xuống. - SDCCH + SACCH đường lên. Ở TS1 thông tin của khe sẽ được sử dụng cho các kênh lưu thông TCH. TS2 - TS7 gọi là kênh thông tin lưu không logic với chu kỳ lặp lại là 26 TS. TSo: Là các kênh điều khiển logic, chu kỳ lặp lại là 51 Ts. TS1: Các kênh điều khiển logic, chu kỳ lặp lại là 102 Ts. - Với các sóng mang C1 - CN dành cho TS0 - TS7 đều là TCH. - Mỗi ô chỉ có 1 Co và chỉ có sau TCH ( TS2 - TS7 ). - Với sóng mang bổ xung, cả TS có thể sử dụng cho TCH. R R R R R R R R R .......................... 51 khung TDMA liên tiếp §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 31 -  CHƯƠNG 5: CÁC DỊCH VỤ TRONG GSM Các dịch vụ trong GSM thông thường là dịch vụ chuyển mạch kênh. Giao diện vô tuyến sau khi đã thực hiện sửa sai là 12 Kbps (hoặc 13 Kbps cho thoại). Tốc độ tối đa cho người sử dụng là 9,6 Kbps giữa MS và MSC. Trong nền tảng đó, GSM có các nhóm dịch vụ sau: 5.1. Dịch vụ thoại Là dịch vụ quan trọng nhất của GSM . Nó cho phép các cuộc gọi hai hướng diễn ra giữa người sử dụng GSM với thuê bao bất kỳ ở một mạng điện thoại nói chung nào . Dịch vụ cuộc gọi khẩn là một loại dịch vụ khác bắt nguồn từ dịch vụ thoại. Nó cho phép người dùng có thể liên lạc với các dịch vụ khẩn cấp như cảnh sát hay cứu hoả mà có thể có hoặc không SIM Card trong máy di động. Một dịch vụ khác nữa là VMS, cho phép các bản tin thoại có thể được lưu trữ rồi lấy ra ở thời điểm bất kỳ. 5.2. Dịch vụ số liệu GSM được thiết kế để đưa ra rất nhiều dịch vụ số liệu. Các dịch vụ số liệu được phân biệt với nhau bởi người sử dụng phương tiện (người sử dụng điện thoại PSTN, ISDN hoặc các mạng đặc biệt ...), bởi bản chất các luồng thông tin đầu cuối (dữ liệu thô, Fax, Videotex, Teletex ...), bởi phương tiện truyền dẫn (gói hay mạch , đồng bộ hay không đồng bộ ...) và bởi bản chất thiết bị đầu cuối. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 32 -  Các dịch vụ này chưa thực sự thích hợp với môi trường di động. Một trong các vấn đề đó là do yêu cầu thiết bị đầu cuối khá cồng kềnh, chỉ phù hợp với mục đích bán cố định hoặc thiết bị đặt trên ô tô. 5.3. Dịch vụ bản tin ngắn Dịch vụ bản tin ngắn khá phù hợp với môi trường di động. Các bản tin ngắn độ dài vài octet có thể được tiếp nhận bằng thiết bị đầu cuối rất nhỏ. Có hai loại dịch vụ bản tin ngắn: - Dịch vụ bản tin ngắn truyền điểm - điểm (giữa hai thuê bao). Loại này cũng chia làm hai loại: + Dịch vụ bản tin ngắn kết cuối di động, điểm - điểm (SMS - MO/PP): cho phép người sử dụng GSM nhận các bản tin ngắn. + Dịch vụ bản tin ngắn khởi đầu từ Mobile, điểm - điểm (SMS MI/PP): cho phép người sử dụng GSM gửi bản tin đến người sử dụng GSM khác. - Dịch vụ bản tin ngắn phát quảng bá: cho phép bản tin ngắn gửi đến máy di động trong một vùng địa lý nhất định. 5.4. Các dịch vụ phụ Các dịch vụ sửa đổi và làm phong phú thêm các dịch vụ cơ bản, chủ yếu cho phép người sử dụng lựa chọn cuộc gọi đến và đi sẽ được mạng xử lý như thế nào hoặc cung cấp cho người sử dụng các thông tin cho phép sử dụng dịch vụ hiệu quả hơn. Các dịch vụ thường là: §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 33 -  - Chặn hướng cuộc gọi (CB). - Giữ cuộc gọi (CH). - Chuyển cuộc gọi (CF). - Hiển thị số máy chủ gọi (CLIP). - Cấm hiển thị số máy chủ gọi (CLIR). - Đợi cuộc gọi (CW). - Tính cước cho thuê bao. - Hội nghị (MPTY). - Nhóm thuê (CUG). - Cho phép thuê bao chuyển vùng. - Cho phép thuê bao chuyển mạng. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 34 -  CHƯƠNG 6 : MỘT SỐ THÍ DỤ VỀ CUỘC GỌI TRONG MẠNG GSM 6.1. Cuộc gọi ra từ MS Các chuỗi tín hiệu cho cuộc gọi ra từ MS trình bày ở hình 6.1. Các tín hiệu báo hiệu ở hình như sau: Hình 6.1 : Chuỗi tín hiệu cho báo hiệu của cuộc gọi ra từ MS 1. MS thâm nhập mạng ở kênh RACH cùng với yêu cầu một kênh điều khiển dành riêng. Mạng trả lời MS ở kênh AGCH bằng ấn định kênh SDCCH. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 35 -  2. MS yêu cầu một dịch vụ CM (chẳng hạn kết nối chuyển mạch theo mạch, tích cực dịch vụ bổ xung, truyền bản tin ngắn) ở SDDCH được ấn định. Bản sao “Yêu cầu dịch vụ CM” được BTS gửi trả lại MS theo nguyên lý phân giải xung đột để tránh trường hợp khi nhiều MS cùng phát yêu cầu dịch vụ trên cùng một kênh SDDCH. 3. Trước khi tiếp nhận yêu cầu dịch vụ mạng có thể khởi đầu nhận thực MS. 4. Sau khi nhận thực thành công, mạng khởi đầu mật mã hóa đường vô tuyến ( chỉ khi cần thiết lập một kết nối mới ). Lệnh chế độ mật mã hóa đồng thời cũng là sự chấp nhận yêu cầu dịch vụ từ phía MS. 5. Bây giờ MS có thể bắt đầu báo hiệu điều khiển cuộc gọi thông thuờng như ta đã biết ở ISDN. Mạng (MSC) kiểm tra ở VLR xem MS có đăng ký dịch vụ mà nó yêu cầu ở “Thiết lập” trước khi chấp thuận cuộc gọi ( bằng “Đang tiến hành gọi” ). Cấp phát kênh TCH có thể sớm hoặc muộn. 6.2. Cuộc gọi vào từ mạng cố định Lưu đồ báo hiệu của cuộc gọi vào từ mạng cố định được cho ở hình 6.2. Các tín hiệu báo hiệu ở hình như sau: 1. Cuộc gọi vào được định tuyến đến tổng đài cổng của MSC ( GMSC ) của mạng GSM trên cơ sở của số MS-ISSDN ( MSISDN ) là số điện thoại của MS. 2. Để chuyển cuộc gọi đến vị trí hiện tại của MS, GMSC yêu cầu thông tin định tuyến ở HLR. HLR hoặc lưu trữ thông tin định tuyến ( MSRN - MS Roaming Number: số lưu động của tram di §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 36 -  động ) ở chính mình hoặc thu thập thông tin này từ VLR chịu trách nhiệm cho vùng nơi MS đang có mặt. MSRN được gửi trả lời GMSC, sau đó GMSC định tuyến cuộc gọi. 3. Khi cuộc gọi chuyển đến MSC đang quản lý vùng có MS, MSC yêu cầu VLR cung cấp số nhận dạng vùng định vị ( LAI: Location Area Indentity ) và sau đó tìm gọi MS ở vùng này. 4. Khi MS nhận nhận được yêu cầu tìm gọi, nó yêu cầu một kênh SDCCH ( xem bước 1 của cuộc gọi ra ) và trả lời bằng “Trả lời tìm gọi”. Sau đó mạng có thể khởi đầu nhận thực và mật mã ( xem các bước 3 và 4 ở cuộc gọi ra ). 5. Bây giờ mạng có thể hoàn thành cuộc gọi vào bằng cách sử dụng báo hiệu điều khiển cuộc gọi bằng báo hiệu như ta đã biết từ ISDN. Để tiết kiệm tiềm năng vô tuyến mạng chỉ cấp phát kênh lưu lượng cho cuộc gọi khi cuộc gọi này đã được MS tiếp nhận ( khẳng định cuộc gọi ). §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 37 -  Hình 6.2 : Chuỗi tín hiệu báo hiệu cho cuộc gọi vào từ mạng cố định §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 38 - CHƯƠNG 7: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ GPRS 7.1. Tổng quan GPRS (General Packet Radio Service) là dịch vụ truyền tải mới cho hẹ thống GSM, nó cải thiện một cách hiệu quả việc truy nhập vô tuyến tới các mạng truyền số liệu như X.25, Internet…bằng cách áp dụng nguyên lý gói vô tuyến để truyền số liệu của người sử dụng một cách hiệu quả giữa máy điện thoại di động tới các mạng truyền số liệu. Các gói tin có thể truyền trực tiếp từ máy di động GPRS tới các mạng chuyển mạch số liệu. Người sử dụng GPRS được lợi từ việc thời gian truy nhập ngắn hơn cũng như tốc độ truyền số liệu cao hơn. Trong hệ thống GSM thông thường việc thiết lập kết nối diễn ra trong vài giây và tốc độ truyền số liệu hạn chế ở 9,6 Kbit/s. GPRS cho phép thời gian thiết lập dưới một giây và tốc độ truyền số liệu tối đa đạt trên 115 Kbit/s. Chuyển mạch kênh không thích hợp cho lưu lượng lớn, vì người sử dụng phải trả tiền cho toàn bộ thời gian chiếm dụng kênh mặc dù có những thời điểm không có gói tin nào được gửi đi. Trái lại với công nghệ chuyển mạch gói (GPRS), khách hàng có thể sẽ chỉ phải trả tiền cho số các gói tin được chuyển đi, điều này thuận lợi cho người sử dụng khi kết nối trực tuyến một thời gian dài với mạng. Tóm lại, GPRS cải thiện việc sử dụng tài nguyên vô tuyến, tốc độ truyền số liệu cao hơn, khách hàng chỉ phải trả tiền cho số gói tin gửi và nhận, ngoài ra thời gian truy nhập cũng ngắn hơn. Công nghệ GPRS được viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu EISI phát triển và chuyển hoá cho dữ liệu gói trong các hệ thống GSM. Tại §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 39 - Mỹ, GPRS cũng được Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông TIA chấp thuận như là tiêu chuẩn dữ liệu gói cho các hệ thống TDMA/IS – 136. Hiện đã được tiến hành triển khai tại một số nước trên Thế giới. 7.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG GPRS. 7.2.1. Cấu trúc logic mạng GPRS Mạng GPRS được xây dựng trên cơ sở cấu trúc mạng GSM hiện tại, cộng thêm một số phần tử mới. Một mạng GPRS gồm các phần tử sau đây: • Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN – Serving GPRS Support Node) • Nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN – Gateway GPRS Support Node) • Trung tâm vận hành bảo dưỡng GPRS (OMC – G) • Hệ thống vô tuyến • Máy điện thoại di động hỗ trợ GPRS §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 40 - SMS – GMSC : Gateway MSC for short Message Service – MSC có cổng cho dịch vụ nhắn tin ngắn. SMS – IWMSC : Interworking MSC for Short Message Service – MSC liên mạng cho dịch vụ nhắn tin ngắn. SMS – C : Short Message Service Center – Trung tâm dịch vụ nhắn tin. MSC : Mobile Switching Center – Trung tâm chuyển mạch (tổng đài) di động VLR : Visitor Location Register – Bộ đăng ký tạm trú HLR : Home Location Register – Bộ đăng ký thường trú SMS-GMSC MSM-IWMSC SMS-C MSC/VL BS PCU BTS SGSN GGSN BG GGSN CG Bức tường lửa Hệ thống tính cước DNS DHCP Khác GC E Gd C D Gr GS A Gb GP Gf Gi HLR EIR Giao diện số liệu và báo hiệu Giao diện báo hiệu Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống GPRS §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 41 - BSC : Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc PCU : Packet Control Unit – khối (đơn vị) điều khiển gói BTS : Base Transceiver Station – Trạm thu phát gốc SGSN : Serving GPRS Support Node – Nút hỗ trợ dịch vụ của GPRS GGSN : Gateway GPRS Support Node – Nút hỗ trợ cổng GPRS BG : Border Gateway – Cổng ngoại biên EIR : Equipment Identity Register – Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị CG : DHCP : DNC : Data Networking System or Domain Name Server – Hệ thống dữ liệu hoặc máy chủ tên miền. 7.2.2. Chức năng các phần tử trong mạng GPRS. a. Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN – Serving GPRS Support Node) phụ trách việc phân phân phát và định tuyến các gói số liệu giữa máy cầm tay 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 GPRS – 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 trị di động : Bao gồm qản lý việc nhập mạng, rời mạng của thuê bao GPRS, quản lý vị trí hiện diện của thuê bao trong §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 42 - vùng phục vụ, thực hiện các chức năng bảo mật, an ninh cho mạng. ™ Định tuyến và truyền tải các gói dữ liệu đi đến hay được xuất phát từ vùng phục vụ của SGSN đó. ™ Quản lý các trung kế logic bao gồm các kênh lưu lượng gói dữ liệu lưu lượng các bản tin ngắn (SMS) ™ 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. ™ Thực hiện kỹ thuật nén dữ liệu được truyền tải giữa SGSN và máy di động nhằm nâng cao hiệu quả của các kết nối trong mạng ™ 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 ơhục 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. b. Nút hỗ trợ cổng GPRS (SGSN) Nhìn về mặt hệ thống, GGSN (Gateway GPRS Support Node) đóng vai trò như một GMSC (Gate Mobile Switching Center – Trung tâm chuyển mạch cổng di động). GGSN cung cấp một giao diện cổng phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu gói bên ngoài (PDN). Nó cung cấp địa chỉ §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 43 - 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: ™ 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. ™ Cung cấp khả năng chuyển đổi khuôn dạng các gói dữ liệu được trao đổi giữa mạng GPRS và các mạng dữ liệu khác. Điều này cho phép các gói dữ liệu X.25 và IP được truyền tải với cùng khuôn dạng về cước thông qua mạng GPRS. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 44 - ™ 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 bảo mật khi kết nối Internet. c. Sự kết hợp giữa nút hỗ trợ dịch vụ SGSN và nút hỗ trợ cổng GGSN. Các chức năng của SGSN và GGSN có thể kết hợp với nhau trong cùng một khối vật lý hoặc có thể tách biệt thành các khối riêng biệt. SGSN và GGSN có các chức năng định tuyến IP, chúng có thể kết hợp với các bộ định tuyến IP (router). Khi SGSN và GGSN thuộc về hai mạng di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) khác nhau, chúng được kết nối thông qua giao diện Gn (giao diện giữa SGSN và GGSN nằm trong cùng một PLMN) công thêm chức năng về an ninh được yêu cầu khi trao đổi thông tin giữa các PLMN khác nhau, các chức năng về an ninh này được xây dựng tuỳ thuộc vào thoả thuận của các nhà khai thác. Khi đưa mạng GPRS vào khai thác, dựa trên mạng GSM hiện có thì các phần tử của mạng GSM cùng trở thành phần tử của mạng GPRS. d. Hệ thống trạm gốc BSS. Phần BSS cung cấp tất cả các chức năng điều khiển và truyền dẫn thông tin phần vô tuyến của mạng, bao gồm : * Khối điều khiển dữ liệu gói PSU (Packet Control Unit) Khối điều khiển dữ liệu gói PCU có nhiệm vụ kết hợp các chức năng điều khiển kênh vô tuyến GPRS với phần hệ thống trạm gốc BSS cảu mạng GSM hiện tại, PCU được đặt tại bộ điều khiển trạm gốc BSC và phục vụ BSC đó. PCU quản lý các chức năng về chuyển tiếp khung §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 45 - (nếu PCU được kết nối với GSM qua mạng chuyển tiếp khung), quản lý các thông tin báo hiệu về dịch vụ mạng, báo hiệu BSSGP (giao thức GPRS BSS), định tuyến các bản tin báo hiệu, quản lý tải tin các lớp RLC/MAC (Điều khiển kết nối vô tuyến/ Điều khiển truy nhập trung gian) và truyền tải dữ liệu của người sử dụng. Dữ liệu của người sử dụng sẽ được chuyển từ BTS tới BSC thông qua đường lên CCU (Channel Control Unit), sau đó truyền qua đường E1 tới PCU. Tại PCU các khối dữ liệu RLC sẽ được sắp xếp lại trong khung (điều khiển liên kết logic), sau đó được chuyển tới SGSN. Báo hiệu BSSGP và NS (dịch vụ mạng) sử dụng gaio thức chuyển tiếp khung, làm nhiệm vụ báo hiệu giữa PCU và SGSN. PCU được kết nối với GSN thông qua mạng chuyển tiếp khung hoặc cũng có thể được kết nối trực tiếp với GSN. * Bộ điều khiển trạm gốc BSC Trong mạng GPRS, BSC (Base Station Controller) đóng vai trò trung tâm phân phối, định tuyến dữ liệu và thông tin báo hiện GPRS. BSC cũng cung cấp tất cả các chức năng liên quan đến phần BSS của mạng. BSC có thể thiết lập, giám sát và huỷ bỏ kết nối của các cuộc gọi chuyển mạch kênh cũng như chuyển mạch gói. BSC còn cung cấp các chức năng về chuyển vùng, thiết lập các tham số của các tế bào (cell) trong mạng. * Trạm gốc BTS BTS (Base Transceiver Station) cung cấp khả năng ấn định các kênh vật lý tại các khe thời gian cho cuộc gọi chuyển mạch trong mạng §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 46 - GSM và dữ liệu chuyển mạch gói GPRS. BTS kết hợp với PCU để thực hiện các chức năng về vô tuyến trong mạng GPRS. Dữ liệu gói của người sử dụng sẽ được chuyển từ BTS tới BSC qua đường lên CCU. CCU trong BTS thực hiện mã kênh bao gồm sửa lỗi trước (FEC), nó thực hiện việc đo kênh vô tuyến, sự ánh xạ của GPRS và báo hiệu trên giao diện Abis trên đường truyền tới BSC. e. Phần hệ chuyển mạch. * Trung tâm chuyển mạch di động / Bộ đăng ký tạm trú – MSC / VLR MSC/VLR (Mobile Switching Center/ Visitor Location Register) được sử dụng cho việc đăng ký và liên lạc với thuê bao nhưng không đóng 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 bộ đăng ký thường trú/ trung tâm nhận thực – HLR/AUC. * Bộ đăng ký thường trú / trung tâm nhận thực HLR / AUC Bộ đăng ký thường trú HLR (Home Location Register) lưu giữ tất cả các thông tin về thuê bao GSM cũng như GPRS. Thông tin về thuê bao GPRS được trao đổi giữa HLR với SGSN. Thêm vào đó, như trên đã trình bày, HLR được sử dụng trực tiếp cho việc nhận thực thuê bao thay cho MSC/VLR trong hệ thống GSM. Trung tâm nhận thực AUC (Authentication User Center) cung cấp bộ ba thông số dành cho việc nhận thực và thực hiện mã hoá đường truyền. Thủ tục nhận thực trong GPRS và GSM là như nhau, chỉ có quá §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 47 - trình mã hoá đường truyền là thay đổi so với hệ thống GSM, sự thay đổi này không tác động gì đến AUC, do đó không cần cập nhật AUC. * Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị – EIR Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register) vẫn thực hiện chức năng như trong hệ thống GSM. EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến thiết bị đầu cuối MS. EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được pháp của thiết bị, một thiết bị không được phép sẽ bị cấm. f. Thiết bị đầu cuối GPRS (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 §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 48 - hoặc mặc định. Máy đầu cuối di động nào chỉ hỗ trợ GPRS luôn hoạt động ở chế độ này. g. Thiết bị cung cấp dịch vụ SMS – nhắn tin ngắn (SMS – GMSC và SMS – IWMSC) SMS – GMSC (Tổng đài di động có cổng cho dịch vụ nhắn tin ngắn) và SMS – IWMSC (Tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ nhắn tin ngắn) được kết nối với SGSN qua giao diện Gd nhằm cung cấp khả năng truyền tải các bản tin ngắn trên các kênh vô tuyến. CHƯƠNG 8 : CÁC GIAO DIỆN VÀ GIAO THỨC TRONG MẠNG GPRS Các giao thức của GPRS cung cấp các chức năng điều khiển và truyền tải dữ liệu trên mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng truyền dẫn. 8.1. Mặt phẳng truyền dẫn Mặt phẳng truyền dẫn bao gồm các cấu trúc giao thức phân lớp phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu của người sử dụng, kết hợp với các thủ tục điều khiển phục vụ cho việc truyền tải như : điều khiển luồng, phát hiện và sửa lỗi … §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 49 - • Giao thức GTP (GPRS Tunnelling Protocol – giao thức tạo đường hầm GPRS): Giao thức này phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu giữa các GSN trong mạng đường trục GPRS. Tất cả các PTP, PDP, PDU đều đựoc kết hợp bởi GTP. GTP cũng có thể cung cấp khả năng điều khiển luồng giữa các GSN. • Giao thức TCP/UDP (Transmission Control Protocol/ User Datagram Protocol – giao thức điều khiển truyền dẫn/ Giao thức dữ liệu gói người sử dụng) : TCP chuyển các khối điều khiển dữ liệu gói (PDU) của GTP trong mạng đường trục GPRS cho các giao thức cần thiết để liên kết dữ liệu tin cậy (như X.25). TCP cung cấp khả năng điều khiển luồng và bảo vệ chống lại sự thất thoát hay ngắt quãng các PDU của GTP. UDP chuyển các PDU cảu GTP cho các giao thức không cần phải có một liên kết dữ liệu tin cậy (ví dụ như IP). UDP cung cấp khả năng bảo vệ chống lại việc PDU của GTP bị ngắt quãng và chuyển các bản tin báo hiệu giữa các GSN. ứng dụng IP/X25 SNDPC LLC RLC MAC GSM RF Chuyển tiếp RLC BSSGP MAC GSM RF Chuyển tiếp khung L1 bis Chuyển tiếp IP SNDCP GTP LLC UDP/TCP BSSGP IP Chuyển tiếp khung L1 bis L2 L1 IP/X25 GTP UDP/TCP IP L2 L1 MS Um BSS Gb SGSN Gn GGSN Hình 2.1. Cấu trúc phân lớp giao thức §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 50 - • Giao thức IP (Internet Protocol): Là giao thức được dụng trong mạng đường trục GPRS, phục vụ cho việc báo hiệu và định tuyến dữ liệu. • Giao thức SNDCP (SubNetwork Dependent Convergence Protocol – Giao thức hội tụ phụ thuộc phân hệ mạng): Giao thức phụ trách chuyển đổi các đặc tính lớp mạng và các đặc tính dưới lớp mạng. SNDCP thực hiện các chức năng: - Ghép kênh các gói dữ liệu từ một hay nhiều ứng dụng vào một liên kết logic. - Nén thông tin điều khiển và dữ liệu của người dùng trước khi được chuyển từ lớp mạng xuống lớp điều khiển kết nối logic LLC. - Phân mảnh và tập hợp dữ liệu : thông tin sau khi được nén sẽ được phân mảnh cho phù hợp với kích cỡ của khung LLC. • Điều khiển kết nối logic (LLC – Logital Link Control): Cung cấp liên kết dữ liệu tin cậy giữa máy đầu cuối và SGSN đang phục vụ máy đầu cuối đó. LLC sẽ cung cấp các dịch vụ cần thiết cho việc bảo dưỡng liên kết dữ liệu được mã hoá giữa máy đầu cuối và SGSN. LLC hỗ trợ các thủ tục: - Phục vụ truyền tải các PDU của LLC giữa các máy đầu cuối và SGSN ở chế độ xác nhận và chế độ không xác nhận. - Phát hiện và khôi phục các PDU của LLC bị thất lạc hoặc ngắt quãng. - Điều khiển luồng và mã hoá các PDU của LLC giữa máy đầu cuối và SGSN. Các kết nối logic này được truyền mang tính trong suốt đối với BSC. Tất các bản tin báo hiệu tới BSC sẽ §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 51 - đi từ máy di động qua BSC tới SGSN rồi mới quay trở lại BSC. • Chuyển tiếp (Relay): Trong BSC chức năng này sẽ được chuyển tiếp các PDU của LLC giữa giao diện Um và Gb. Tại SGSN, nó sẽ chuyển tiếp các PDU của PDP (Packet Data Protocol – Giao thức dữ liệu gói) giữa các giao diện Gb và Gn. • Giao thức BSSGP (BSS GPRS Protocol – giao thức GPRS của BSS): Giao thức này có trách nhiệm vận chuyển các thông tin về định tuyến và cấp độ phục vụ (GoS) giữa BSC và SGSN, BSSGP không thực hiện chức năng sửa lỗi. • Dịch vụ mạng: Truyền tải các khối điều khiển dữ liệu PDU dựa trên giao thức BSSGP. • Điều khiển liên kết vô tuyến/ Điều khiển truy nhập không gian (RLC/MAC – Radio Link Radio/ Medium Access Control): Chức năng LLC cung cấp một liên kết tin cậy trên giao diện vô tuyến. Còn chức năng MAC điều khiển các thủ tục báo hiệu truy nhập trên kênh vô tuyến và thực hiện sắp xếp các khung LLC vào các kênh vật lý. • GSM RF (Tần số vô tuyến GSM): tạo lập nên khung TDMA. 8.2. Mặt phẳng báo hiệu Mặt phẳng báo hiệu bao gồm các giao thức điều khiển và hỗ trợ cho các chức năng được thực hiện ở mặt phẳng truyền dẫn, nó bao gồm: • Điều khiển việc truy nhập mạng GPRS như nhập mạng và rời mạng. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 52 - • Điều khiển thiết lập các kết nối trong mạng như quá trình khởi hoạt một địa chỉ PDP. • Điều khiển việc định tuyến trong mạng, hỗ trợ khả năng di dộng của MS. • Điều khiển việc ấn định, cấp phát tài nguyên. • Cung cấp các dịch vụ bổ sung. 8.2.1. Giao diện Gb Giao diện Gb là giao diện giữa BSS và SGSN. Hình 2.2 mô tả giao diện Gb. SGSN với một hay nhiều khối điều khiển gói PCU (Packet Control Unit) được kết nối với nhau qua giao diện Gb. Nó cho phép nhiều người sử dụng có thể cùng chia sẻ nguồn tài nguyên chung. Các bản tin báo hiệu và dữ liệu người dùng có thể được gửi trên cùng nguồn tài nguyên vật lý. GMM/SM (GPRS Mobility Management/ Session Management – Quản lý di động GPRS/ Quản lý phiên): Giao thức này hỗ trợ cho chức năng quản trị di động trong mạng GPRS như nhập mạng, rời mạng, cập nhật vùng định tuyến, cập nhật vùng định vị, khởi tạo/ huỷ bỏ PDP context. Giao diện này hỗ trợ: - Dùng chung hạ tầng mạng: cho phép lưu lượng trên giao diện A (trong GSM) và Gb có thể cùng đi trên một con đường E1. - Kết hợp các liên kết: Cho phép kết hợp nhiều giao diện Gb trên nhiều đường E1 về một đường E1. - Điều khiển luồng. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 53 - LLC: Lớp điều khiển liên kết logic RLC: Lớp điều khiển kết nối vô tuyến L1 bis: Lớp 1 bis MAC: Lớp điều khiển truy nhập trung gian GMM/SM: Quản lý di động GPRS/ Quản lý phiên GSM RF : Tần số vô tuyến GSM. 8.2.2. Giao diện Gr Giao diện Gr là giao diện giữa HLR và SGSN để chuyển các thông tin về hồ sơ thuê bao, địa chỉ SGSN hiện tại và địa chỉ PDP. Hình 2.3 là cấu trúc của giao diện Gr: GMM/SM LLC RLC MAC GSM RF RLC MAC GSM RF BSSGP Dịch vụ mạng L1 bis L1 bis Dịch vụ mạng RLC LLC GMM/SM MS Um BSS Gb SGSN Hình 2.2. Ngăn xếp giao thức Gb §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 54 - MAP (Mobile Application Port): Cổng ứng dụng di động TCAP (Transation Capabilities Application Part): Phần ứng dụng các khả năng giao dịch SCCP (Signaling Connection Control Part): Phần điều khiển kết nối báo hiệu MTP (Message Transfer Part): Phần chuyển giao tin báo. L1 (Layer 1): Lớp 1. Giao diện này kết nối SGSN với HLR bởi báo hiệu số 7, cung cấp khả năng truy nhập tới tất cả các nút trong mạng báo hiệu số 7, bao gồm HLR của nội mạng PLMN khác. Tại giao diện này, giao thức MAP hỗ trợ cho khả năng trao đổi tín hiệu giữa SGSN và HLR. Còn các giao thức TCAP, SCCP, MTP3, MTP2 giống như giao thức được sử dụng hỗ trợ MAP trong mạng GSM. 8.2.3. Giao diện Gs MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 L1 MAP TCAP MTP3 SCCP MTP2 L1 SGSN Gr HLR Hình 2.3. Ngăn xếp giao thức Gr §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 55 - Giao diện Gs là giao diện giữa SGSN và MSC/VLR trong trường hợp kết hợp giữa các dịch vụ chuyển mạch gói GPRS và chuyển mạch kênh GSM. Cấu trúc của giao diện Gs: Tại giao diện này, giao thức BSSAP+ là một phần trong các thủ tục BSSAP nhằm hỗ trợ cho việc báo hiệu giữa SGSN và MSC/VLR. 8.2.4. Giao diện Gf Giao diện Gf là giao diện giữa bộ ghi định vị nhận dạng thiết bị EIR và SGSN để có thể hỏi về số IMEI của trạm di động. Tại giao diện này, giao thức MAP hỗ trợ cho báo hiệu giữa hai phần tử SGSN và EIR phục vụ cho việc nhận dạng thiết bị đầu cuối. BSSAP SCCP MTP3 L1 MTP2 BSSAP SCCP MTP3 L1 MTP2 SGSN Gs MSC/VLR Hình 2.4. Ngăn xếp giao thức Gs MAP TCAP SCCP MTP3 MAP TCAP MTP3 SCCP §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 56 - EIR (Equipment Identity Register): Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị. 8.2.5. Giao diện Gd Cấu trúc của giao diện Gd: MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 L1 MAP TCAP MTP3 SCCP MTP2 L1 SGSN Gd SMS- GMSC Hình 2.6. Ngăn xếp giao thức Gd §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 57 - SGSN (Serving GPRS Support Node): Nút hỗ trợ dịch vụ của GPRS. SMS – GMSC (Gateway MSC for Short Message Service): Tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ nhắn tin ngắn. Gd là giao diện giữa SGSN với SMS – GMSC và SGSN với SMS – IWMSC. Tại giao diện này, giao thức MAP hỗ trợ cho việc báo hiệu giữa SGSN và SMS – SMSC phục vụ cho việc truyền tải các bản tin ngắn. 8.2.6. Giao diện Gn Cấu trúc của giao diện Gn: GGSN (Gateway GPRS Support Node): Nút hỗ trợ cổng nối GPRS GTP (GPRS Tunneling Protocol): Giao thức tạo đường hầm GPRS UDP (User Datagram Protocol): Giao thức dữ liệu gói người sử dụng IP (Internet Protocol): Giao thức Internet GTP UDP IP L2 L1 GTP UDP IP L2 L1 SGSN Gn GGSN Hình 2.7. Ngăn xếp giao thức Gn §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 58 - Gn là giao diện giữa các SGSN hay giữa SGSN và GGSN, chức năng của các lớp, các giao thức đã được mô tả ở các phần trước. Gn thường được cấu hình như các giao diện IP, các giao diện này sử dụng các giao diện vật lý riêng biệt với các địa chỉ IP riêng biệt. Việc ghép kênh (multiplexing) các giao diện IP này được thực hiện ở mức định tuyến IP. 8.2.7. Giao diện Gi Cấu trúc của giao diện Gi: Gi là giao diện giữa GGSN và các mạng số liệu bên ngoài như mạng dữ liệu gói chuyển mạch công cộng PSPDN (Public Switched Data Network), mạng dữ liệu gói chuyển mạch kênh CSPDN (Circuit Switched Packet Data network), Internet, Intranet … nhằm phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu giữa thuê bao di động và các mạng ngoài. 8.2.8. Giao diện Gc Cấu trúc của giao diện Gc: ứng dụng IP SNDCP LLC RLC MAC GSM RF L2 UDP/TC P IP L2 L1 L2’ L1’ MAC IP GSM RF MAC MS Um GGS N Gi Hệ thống cuối Hình 2.8. Ngăn xếp giao thức Gi §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 59 - Qua giao diện này, các phần tử GGSN và HLR có thể trao đổi thông tin báo hiệu cho nhau. Có hai cách thiết lập tuyến báo hiệu này, cụ thể: - Nếu giao tuyến báo hiệu số (SS7) được cài đặt trong GGSN, giao thức MAP được sử dụng để trao đổi thông tin giữa GGSN và HLR. - Nếu giao diện SS7 không được cài đặt trong GGSN, khi đó bất kỳ phần tử GSN (GPRS Support Node – Nút hỗ trợ GPRS) nào trong cùng mạng di động mặt đất công cộng PLMN được cài đặt giao diện SS7 với vai trò GGSN có thể sử dụng việc trao đổi GTP và MAP để trao đổi thông tin giữa GGSN và HLR. 8.3. Giao diện vô tuyến Um Giao diện vô tuyến Um là giao diện giữa máy di động và phân hệ trạm gốc BSS mà trên đó máy di động và mạng có thể trao đổi báo hiệu MAP TCAP SCCP MTP3 MTP2 L1 MAP TCAP MTP3 SCCP MTP2 L1 GGSN Gc HLR Hình 2.9. Ngăn xếp giao thức Gc §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 60 - và dữ liệu cho nhau. Giao diện vô tuyến GPRS có thể được phân cấp thành các lớp logic (Hình 2.10) Lớp vật lý được phân chia theo chức năng thành hai lớp con: Lớp RF vật lý và lớp kết nối vật lý. 8.3.1. Lớp RF vật lý Thực hiện điều chế dạng sóng tín hiệu từ chuỗi bit nhận được từ lớp liên kết vật lý. Lớp này cũng giải điều chế dạng sóng thu được thành các chuỗi bit để chuyển lên lớp liên kết vật lý. Lớp này được sử dụng như là nền tảng cho GPRS. 8.3.2. Lớp kết nối vật lý Cung cấp các kênh vật lý giữa trạm di động MS và mạng. Chức năng này bao gồm ghép khối dữ liệu, mã hoá số liệu, phát hiện và hiệu chỉnh lỗi truyền dẫn trên đường truyền vật lý. Lớp liên kết vật lý sử dụng các dịch vụ của lớp RF vật lý. Chức năng điều khiển lớp liên kết vật lý cho phép duy trì thông tin trên các kênh vật lý giữa MS và mạng. Các Kết nối vật lý SNDCP LLC RLC MAC RF vật lý Kết nối vật lý SNDCP LLC RLC MAC RF vật lý Trạm di động MS Um Mạng Hình 2.10. Giao diện vô tuyến §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 61 - thủ tục chuyển giao sẽ không được sử dụng trong GPRS, thay vào đó là các thủ tục cập nhật định tuyến và cập nhật ô (cell) Lớp liên kết vật lý có nhiệm vụ thực hiện các thủ tục sau: - Mã hoá sửa lỗi trước, cho phép phát hiện và hiệu chỉnh từ mã đã phát đi và chỉ thị các từ mã không thể hiệu chỉnh được. - Ghép xen - Thủ tục phát hiện nghẽn trên các liên kết vật lý - Thủ tục đồng bộ để điều chỉnh tại tham số TA (Timing Advance - Định thời sớm) - Định thời sớm thủ tục giám sát và đánh giá chất lượng tín hiệu - Thủ tục lựa chọn và tái lựa chọn ô - Thủ tục điều khiển công suet phát - Thủ tục cho phép tiết kiệm pin như thu không liên tục DRX (Discontinuous Reception) … 8.3.3. Lớp RLC/MAC MAC (Medium Access Control - Điều khiển truy nhập trung gian) xác định các thủ tục cho phép nhiều máy di động có thể cùng chia sẻ tài nguyên chung (ví dụ như cùng chia sẻ các kênh vật lý), MAC cho phép một máy di động đơn lẻ có thể sử dụng nhiều kênh vật lý đồng thời. RLC (Radio Link Control - Điều khiển kết nối vô tuyến) xác định thủ tục truyền lại các khối dữ liệu RLC bị lỗi, nó cũng cung cấp khả năng phân mảnh và sắp xếp lại các khối dữ liệu gói PDU trong lớp LLC vào trong khối dữ liệu RLC. Cụ thể: Chức năng của MAC: §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 62 - - Cung cấp khả năng ghép kênh dữ liệu và báo hiệu ở cả đường lên và đường xuống. - Điều khiển truy nhập các kênh vô tuyến, thực hiện các thủ tục phát hiện, khôi phục và tránh xung đột (đối với việc truy nhập được khởi tạo từ máy di động) - Quản lý hàng đợi của các gói dữ liệu đối với truy nhập kênh kết nối ở MS. - Quản lý các mức ưu tiên. Chức năng của RLC: - Truyền tải các PDU của LLC giữa lớp LLC và chức năng MAC - Phân mảnh và sắp xếp các PDU của LLC vào các khối dữ liệu RLC - Sửa lỗi lùi BEC (Back Error Correction), nó cho phép truyền lại các từ mã có thể không đúng. - Truyền tải các từ mã tuỳ thuộc vào điều kiện của các kênh truyền dẫn. 8.3.4. Lớp LLC Các chức năng của lớp LLC bao gồm: - Truyền tải các khối dữ liệu giao thức phân hệ mạng SN – PDU (SubNetwork – Protocol Data Unit) giữa lớp SNDCP và lớp LLC. - Truyền tải các khối dữ liệu gói PDU của lớp điều khiển kết nối logic LL (LL – PDU) giữa máy di động SGSN. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 63 - - Phân phát LL – PDU từ điểm đến điểm ở cả hai chế độ: xác nhận và không xác nhận giữa máy di động SGSN. - Phân phát LL – PDU từ điểm đến đa điểm giữa máy di động và SGSN. - Phát hiện và khôi phục các LL – PDU bị thất lạc - Điều khiển luồng và các LL – PDU giữa máy di động và SGSN. - Mã hoá các LL – PDU 8.3.5. Giao thức GMM/SM (Quản lý di động GPRS/ Quản lý phiên) Hỗ trợ cho chức năng quản trị di động trong mạng GPRS bao gồm: quản lý việc nhập mạng, rời mạng, cập nhật vùng định tuyến, cập nhật vùng định vị, khởi tạo/ huỷ bỏ PDP context. Cần lưu ý rằng SNDCP chỉ là một phần của giao thức GMM/SM. 8.4. Mạng vô tuyến GPRS. 8.4.1. Kênh vật lý Hệ thống mạng GPRS sử dụng hoàn toàn giao diện không gian (Air Interface) hay là kết nối giữa trạm di động MS và trạm thu phát gốc BTS của mạng GSM có nghĩa là đa truy nhập theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Asscess) và mỗi khung TDMA được tạo thành bởi 8 khe thời gian tần số vô tuyến (Radio Frequency Time Slot). Một khe thời gian tần số vô tuyến của khung TDMA được gọi là một kênh vât lý. Thông tin gửi đi trên một khe thời gian tần số vô tuyến được gọi là một cụm (Burst). Một kênh vật lý có thể được sử dụng cho một kênh logic hoặc một phần của kênh logic. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 64 - Việc ấn định các kênh của GPRS khác với GSM. GPRS cho phép một trạm di động truyền trên nhiều khe thời gian của cùng một khung TDMA (hoạt động theo kiểu đa khe thời gian). Điều này cho phép ấn định kênh rất linh hoạt, từ 1 đến 8 khe thời gian trong một khung TDMA có thể ấn định cho một trạm di động. Hơn thế nữa, đường up-link và down-link được ấn định riêng, điều này cho phép tăng hiệu suất đối với các dạng dữ liệu không đối xứng như trình duyệt WEB chẳng hạn là dạng ứng dụng dùng đường down-link nhiều hơn đường up-link. Đối với GSM, một kênh tần số được ấn định vĩnh viễn cho một thuê bao nhất định trong thời gian cuộc gọi cho dù dữ liệu có được truyền đi hay không. Ngược lại, đối với GPRS, các kênh tần số được ấn định khi các gói dữ liệu được gửi đi hoặc nhận về và sau đó các kênh tần số này sẽ được giải phóng sau khi kết thúc truyền. Đối với việc truyền không liên tục dữ liệu, điều này cho phép sử dụng có hiệu quả hơn nguồn tài nguyên vô tuyến khan hiếm. Với nguyên tắc này, nhiều thuê bao có thể chia sẻ 1 kênh vật lý. Một ô của GPRS có thể ấn định các kênh vật lý cho lưu lượng GPRS. Kênh vật lý này được biểu thị bằng kênh dữ liệu gói (Packet Data Channel). Các kênh PDCH được tách ra từ tổ hợp các kênh rỗi trong ô. Do đó, tài nguyên ô được chia sẻ bởi tất cả các trạm di động GPRS cũng như các trạm không phải GPRS. Việc sắp xếp các kênh vật lý cho các dịch vụ chuyển mạch gói (GPRS) hoặc các dịch vụ chuuyển mạch kênh (GSM) có thể được thực hiện một cách linh động (nguyên tắc dung lượng theo yêu cầu) phụ thuộc vào tải hiện tại, mức độ ưu tiên của dịch vụ và mức đa khe thời gian. Thủ tục giám sát tải được sử dụng để giám sát tải của kênh PDCH trong ô. Dựa vào nhu cầu hiện tại, các kênh sẽ được ấn định cho dịch vụ GPRS với số lượng kênh PDCH có thể thay đổi. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 65 - Các kênh vật lý hiện không sử dụng cho dịch vụ GSM có thể được ấn định thành các kênh PDCH để tăng số lượng kênh cho các dịch vụ GPRS. Khi đó nhu cầu về tài nguyên vô tuyến cho các dịch vụ có mức ưu tien cao, các kênh PDCH có thể ấn định lại. 8.4.2. Các kênh logic của GPRS Nhiều loại thông tin khác nhau có thể truyền giữa trạm thu phát gốc và trạm di động như báo hiệu, quảng bá các thông tin chung của hệ thống, đồng bộ, ấn định kênh, paging hoặc truyền tải. Các loại thông tin khác nhau đó được truyền bằng kênh vật lý và được phân loại thành các nhóm khác nhau gọi là kênh logic. Các kênh logic này được sắp xếp trên các kênh vật lý theo một sơ đồ sắp xếp. Bảng sau đây liệt kê các kênh logic chứa gói dữ liệu được xác định bởi GPRS. Giống như GSM, các kênh logic được chia thành 2 loại. Các kênh lưu lượng và các kênh báo hiệu (điều khiển) §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 66 - a. Kênh lưu lượng dữ liệu gói PDTCH (Packet Data Traffic Channel) PDTCH được dùng để truyền số liệu của người sử dụng. Nó cung cấp tạm thời cho một MS hoặc một nhóm MS. Một MS có thể cùng một lúc dùng nhiều kênh PDCH để phục vụ cho việc truyền tải gói. Tốc độ truyền tải gói thông tin trê giao diện vô tuyến được thực hiện với tốc độ mã hoá khác nhau CS1-CS4. Thông tin tốc độ mã hoá như sau: Từ MS đến BSS và ngược lại Kênh điều khiển chung gói Từ MS đến BSS Từ BSS đến MS Từ BSS đến MS Từ BSS đến MS Từ MS đến BSS và ngược lại Nhóm Kênh Chức năng Hướng Kênh lưu lượng dữ liệu ói PDTCH Lưu lượng dữ liệu Kênh điều khiển quảng bá gói PBCCH Điều khiển quảng bá PRACH Truy nhập ngẫu nhiên PAGCH Cho phép truy nhập PPCH Paging PNCH Thông báo Kênh điều khiển riêng gói PACCH PTCCH Điều khiển kết hợp Điều khiển đồng bộ Bảng 1: Các kênh logic của GPRS §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 67 - b. Kênh điều khiển quảng bá gói PBCH (Packet Broadcast Control Channel) PBCH là kênh báo hiệu một hướng điểm tới đa điểm từ phân hệ trạm gốc BSS tới các trạm di động. Kênh này được BSS sử dụng để quảng bá những thông tin nhất định về tổ chức mạng vô tuyến GPRS tới tất cả các trạm di động GPRS nằm trên một ô. Ngoài các thông số về GPRS, kênh PBCH cũng quảng bá các thông tin hệ thống quan trọng về các dịch vụ chuyển mạch kênh để trạm di động GPRS/GSM không dùng kênh diều khiển quảng bá BCCH (Broadcast Control Channel) thông thường của trạm GSM. c. Kênh điều khiển chung gói PCCCH (Packet Common Control Channel) PCCCH là một kênh báo hiệu hai chiều từ điểm tới đa điểm để chuyển các thông tin về quản lý truy nhập mạng ví dụ như ấn định tài nguyên vô tuyến và Paging. Kênh PCCCH gồm 4 kênh nhỏ: Coding scheme Tốc độ CS1 CS2 CS3 CS4 9,05 kbps 13,4 kbps 15,6 kbps 21,4 kbps Bảng 2. Tốc độ mã hoá §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t     - 68 - ™ Kênh truy nhập ngẫu nhiên gói PRACH (Packet Random Access Channel) được sử dụng bởi trạm di động để yêu cầu thêm một hoặc nhiều kênh PDTCH. ™ Kênh truy nhập gói PPCH (Packet Paging CHannel) được sử dụng để cấp thêm một hoặc nhiều kênh PDTCH cho trạm di động. ™ Kênh Paging gói PPCH được BSS sử dụng để tìm ra vị trí của trạm di động (Paging) trước khi truyền gói trên đường down-link. ™ Kênh thông báo gói PNCH (Packet Notifiction Channel) được sử dụng để thông báo cho trạm di động về một bản tin PTM. d. Kênh điều khiển riêng gói Là kênh báo hiệu hai chiều điểm tới điểm – Kênh này gồm hai kênh PACCH và PTCCH. ™ Kênh điều khiển kết hợp gói PACCH (Packet Associated Control Channel) luôn được ấn định cùng với một hoặc nhiều kênh PDCH được cấp cho một trạm di động. Kênh PACCH chuyển thông tin báo hiệu ví dụ như điều khiển công suất tới một trạm di động nhất định. ™ Kênh điều khiển đồng bộ gói PTCCH (Packet Timing Advance Control Channel) được sử dụng cho việc đồng bộ khung. a. Sắp xếp các kênh dữ liệu gói trên các kênh vật lý Việc sắp xếp các kênh logic trên các kênh vật lý bao gồm hai yế