PGS TS PHẠM HỒNG LIÊN THÔNG TIN DI ĐỘNG GIÁO TRÌNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* PGS TS PHẠM HỒNG LIÊN GIÁO TRÌNH THÔNG TIN DI ĐỘNG N[.]
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG
Lịch sử và xu hướng phát triển hệ thống thông tin di động trên thế giới
Trong quá trình phát triển của xã hội loài người, thông tin liên lạc luôn đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong đời sống xã hội Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về truyền đạt thông tin, khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực viễn thông đã đem lại nhiều hình thức liên lạc tiện ích hơn và có chất lượng ngày càng tốt hơn.
Sự phát triển của các ngành truyền thông qua sóng vô tuyến đã dẫn đến ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến, đóng vai trò là tiền đề cho mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên đã được thử nghiệm thành công tại St Louis, bang Missouri của Mỹ, mở ra bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực viễn thông di động.
Vào những năm 1950 của thế kỷ XX, việc phát minh ra chất bán dẫn đã mở ra bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng linh kiện bán dẫn trong công nghệ di động giúp cải thiện hiệu quả và khắc phục những hạn chế trước đây, mở đường cho sự phát triển của các thiết bị liên lạc di động hiện đại.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào xuất hiện từ những năm 1970, khi các vùng phủ sóng riêng lẻ được kết hợp lại thành mạng lưới, giúp giải quyết bài toán về dung lượng và nâng cao khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả trong mạng di động.
1.1.1 Hệ thống 1G (Hệ thống tương tự) a Lịch sử phát triển
Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, với mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại được ra đời tại Nhật Bản vào năm 1979 Thế hệ thứ nhất của công nghệ di động tập trung chủ yếu vào các hệ thống analog, trong đó nổi bật là công nghệ NMT (Nordic Mobile Telephone).
(Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile
Hệ thống điện thoại di động tiên tiến (Phone System) được sử dụng rộng rãi tại Mỹ và Úc, mang lại khả năng liên lạc vượt trội và tiện ích cao Trong khi đó, hệ thống TACS (Total Access Communication System) được triển khai tại Anh, cùng với C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 tại Pháp, và RTMI ở Italia, mở ra mạng lưới liên lạc đa dạng trên thị trường quốc tế Đặc điểm của hệ thống 1G bao gồm công nghệ analog, khả năng liên lạc kết hợp hạn chế và cơ sở hạ tầng đơn giản, tạo tiền đề cho sự phát triển của các hệ thống di động sau này.
Hệ thống 1G chủ yếu là hệ thống analog, chuyên xử lý dữ liệu âm thanh và có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba do thiếu các biện pháp bảo mật Các chuẩn trong hệ thống này bao gồm NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac Nhược điểm của thế hệ 1G là dung lượng thấp, tỷ lệ cuộc gọi bị rớt cao, khả năng chuyển cuộc gọi không ổn định, chất lượng âm thanh kém và thiếu các chế độ bảo mật, khiến nó không thể đáp ứng được các nhu cầu sử dụng hiện đại.
1.1.2 Hệ thống 2G (Hệ thống số)
Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT) thành lập nhóm nghiên cứu GSM nhằm phát triển chuẩn thông tin di động mới trên lục địa Đến năm 1987, 13 quốc gia đã ký vào bản ghi nhớ, thống nhất giới thiệu mạng GSM vào năm 1991 để nâng cao công nghệ di động tại châu Âu Năm 1988, Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) được thành lập để nghiên cứu và phát triển tiêu chuẩn GSM thành tiêu chuẩn châu Âu chính thức Sự tiến bộ kỹ thuật từ công nghệ 1G dựa trên FDMA sang 2G là kết quả của sự kết hợp giữa phương pháp FDMA và TDMA.
Các chuẩn của thế hệ này đều là chuẩn kỹ thuật số và hướng đến mục tiêu thương mại, bao gồm GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS, HSCSD, WiDEN và CDMA2000 (1xRTT/IS-2000) Khoảng 60% mạng hiện tại sử dụng các chuẩn của Châu Âu, thể hiện sự phổ biến rộng rãi của các công nghệ này trong ngành viễn thông.
Hệ thống GSM làm việc trong một băng tần hẹp, sử dụng điều chế số, phương pháp đa truy nhập chính là:
+ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access)
+ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access)
+ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access) b Các hệ thống điển hình
Thế hệ thứ hai (2G) xuất hiện vào những năm 1990, đánh dấu sự ra đời của mạng di động số đầu tiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Trong giai đoạn này, công nghệ di động đã chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc về số lượng thuê bao và các dịch vụ giá trị gia tăng Các mạng 2G chủ yếu tập trung vào truyền dữ liệu hạn chế từ 9.6 kbps đến 19.2 kbps và chủ yếu dùng cho mục đích thoại, dưới dạng mạng chuyển mạch kênh.
Tương tự như trong 1G, không tồn tại một chuẩn chung toàn cầu nào cho 2G Hiện nay, các hệ thống 2G dựa trên 3 chuẩn công nghệ chính sau:
D- AMPS (Digital AMPS): được sử dụng tại Bắc Mỹ D-AMPS đang dần được thay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000
GSM (Hệ thống Liên lạc Di động Toàn cầu) được triển khai rộng rãi trên thế giới, ngoại trừ Bắc Mỹ và Nhật Bản Các thiết bị di động trong hệ thống này truyền thông trên một tần số và nhận thông tin từ một tần số cao hơn, chênh lệch khoảng 55MHz so với hệ thống D-AMPS Cả hai hệ thống đều ứng dụng phương pháp phân chia thời gian (TDMA), giúp tăng khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời cho nhiều người dùng Tuy nhiên, kênh của GSM rộng hơn so với kênh của AMPS, với độ rộng 200kHz so với 30kHz, nhờ đó GSM mang lại tốc độ truyền dữ liệu cao hơn D-AMPS.
CDMA (Code Division Multiple Access) sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia mã để nâng cao dung lượng mạng Nhờ đó, công nghệ CDMA cho phép cung cấp nhiều cuộc gọi trong một cell hơn so với các công nghệ truyền thống khác, giúp tăng hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống truyền thông di động.
PDC (Personal Digital Cellular) là tiêu chuẩn mạng di động phát triển và sử dụng duy nhất tại Nhật Bản, dựa trên công nghệ TDMA giống như D-AMPS và GSM Các ưu điểm của công nghệ 2G so với 1G bao gồm chất lượng cuộc gọi tốt hơn, khả năng truyền dữ liệu nhanh hơn và hệ thống mạng an toàn hơn, góp phần nâng cao trải nghiệm người dùng trong lĩnh vực viễn thông di động.
Những cuộc gọi di động được mã hóa kĩ thuật số
Cho phép tăng hiệu quả kết nối các thiết bị
Bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ số liệu trên điện thoại di động – khởi đầu là tin nhắn SMS
Những công nghệ 2G được chia làm hai dòng chuẩn: TDMA và CDMA, tùy thuộc vào hình thức ghép kênh được sử dụng
HSCSD (High Speed Circuit Switched Data): số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao
GPRS(General Packet Radio Service): dịch vụ vô tuyến gói chung
Hệ thống GPRS là bước đầu tiên hướng tới công nghệ 3G, mở rộng kiến trúc mạng GSM để cung cấp truy cập dữ liệu tốc độ cao và hiệu quả hơn Với khả năng chuyển mạch gói dữ liệu, GPRS giúp tăng tốc độ dữ liệu lên tới 115kbps, đáp ứng nhu cầu sử dụng internet di động ngày càng cao.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): tốc độ số liệu tăng cường cho sự phát triển GSM
EDGE có khả năng truyền nhiều bit gấp 3 lần so với GPRS trong mỗi chu kỳ, chính điều này giải thích tại sao tốc độ bit của EDGE lại cao hơn đáng kể Theo tiêu chuẩn của ITU, giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ đạt 384kbps, phù hợp với chuẩn IMT để đảm bảo chất lượng truyền dữ liệu hiệu quả.
2000 trong môi trường không lý tưởng (384 kbps tương ứng với 48 kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian)
Các tổ chức chuẩn hoá trên thế giới
Trong mọi lĩnh vực, việc xây dựng bộ tiêu chuẩn cho công nghệ là điều cần thiết để đảm bảo sự thống nhất và an toàn trên toàn cầu Các tổ chức hoặc cơ quan có thẩm quyền thường nghiên cứu, đề xuất, và đánh giá các tiêu chuẩn này nhằm bắt buộc các nhà cung cấp dịch vụ, nhà sản xuất thiết bị, và nhà khai thác phải tuân thủ nghiêm ngặt Lĩnh vực thông tin di động cũng không nằm ngoài quy trình này, đảm bảo công nghệ được phát triển một cách chuẩn mực và có thể tích hợp rộng rãi trên thị trường quốc tế.
Trong lĩnh vực di động, hiện nay đang có nhiều công nghệ di động khác nhau cùng tồn tại, phát triển và cạnh tranh nhằm chiếm lĩnh thị phần toàn cầu Nhu cầu thống nhất các công nghệ này thành một hệ thống thông tin di động duy nhất đã tồn tại từ lâu, nhưng vẫn gặp nhiều khó khăn và thách thức Thực tế, các công nghệ di động khác nhau vẫn song hành cùng nhau, phản ánh sự hiện diện của nhiều tổ chức và cơ quan chuẩn hóa quốc tế.
Hiện nay trên thế giới, tham gia vào việc chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động có một số tổ chức sau:
ITU-T (T-Telecommunications), cụ thể là nhóm SSG (Special
ETSI: European Telecommunication Standard Institute
ITU-R (R- Radio): cụ thể là nhóm Working Group 8F –WG8F
3GPP: 3 rd Global Partnership Project
3GPP2: 3 rd Global Partnership Project 2
IETF: Internet Engineering Task Force
Các tổ chức phát triển tiêu chuẩn khu vực (SDO: Standard Development Oganization)
3G.IP: cụ thể là Working Group 8G- WG8G
MWIF- Mobile Wireless Internet Forum
3GPP và 3GPP2 là hai tổ chức chịu trách nhiệm chính trong việc xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 3G Các tổ chức này đảm nhận nhiệm vụ phát triển các kỹ thuật riêng biệt nhằm đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật thống nhất cho mạng di động 3G, giúp hệ thống vận hành hiệu quả và đồng bộ trên toàn cầu.
1 Hãy trình bày và so sánh ưu khuyết điểm của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1G, 2G, 2,5 G
2 Hãy trình bày và so sánh ưu khuyết điểm của các hệ thống thông tin di động thế hệ 3G, 3,5 G và 4G
3 Hãy trình bày một số tổ chức chuẩn hoá trên thế giới
HỆ THỐNG GSM/GPRS
Giới thiệu chung
Năm 1982, Hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT) thành lập nhóm đặc trách di động (Groupe Special Mobile) nhằm tìm ra hệ thống vô tuyến tế bào toàn Châu Âu hoạt động trong dải tần 900 MHz Mục tiêu của hệ thống này là khắc phục những hạn chế về dung lượng của các hệ thống tương tự đã triển khai tại nhiều nước châu Âu, như NMT ở Bắc Âu Tiêu chuẩn tế bào toàn châu Âu cần hỗ trợ lưu động quốc tế và thúc đẩy sự phát triển ngành công nghiệp viễn thông châu Âu Sau các cuộc thảo luận ban đầu, ba nhóm làm việc đã được thành lập để xác định hệ thống, sau đó nhóm thứ 4 tham gia xử lý các công việc cụ thể liên quan đến tiêu chuẩn này.
Năm 1986, bộ phận thường trực được thành lập tại Paris để phối hợp hoạt động của các nhóm làm việc và quản lý việc xây dựng các khuyến nghị hệ thống Các nhóm làm việc yêu cầu xác định các giao diện hệ thống sao cho các thiết bị di động, dù là cầm tay hay lắp trên xe, có thể di chuyển qua nhiều quốc gia triển khai hệ thống mới và truy cập tất cả các dịch vụ Hệ thống mới phải có dung lượng cao hơn, chi phí vận hành bằng hoặc thấp hơn và đảm bảo chất lượng tiếng nói tốt hơn hoặc bằng các hệ thống hiện tại Dải tần chung toàn châu Âu dành cho hệ thống mới nằm trong khoảng 890-915 MHz và 935-960 MHz, đảm bảo tính liên tục và khả năng sử dụng rộng rãi.
Các nghiên cứu tại các quốc gia châu Âu cho thấy hệ thống số phù hợp hơn so với hệ thống tương tự, tuy nhiên, việc chọn phương pháp đa truy nhập vẫn chưa được xác định rõ ràng Do đó, các dự án thử nghiệm hệ thống khác nhau đã được tiến hành trên thực địa, điển hình là tại Paris vào cuối năm 1986, nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng áp dụng của các phương pháp này trong thực tế.
Trong năm 1987, các kết quả thử nghiệm đã được đánh giá kỹ lưỡng và cuối cùng đạt được thỏa thuận về các đặc trưng chính của hệ thống mới Quyết định chọn công nghệ TDMA dải hẹp với 8 kênh trên một sóng mang, có khả năng mở rộng lên đến 16 kênh trên một sóng mang, nhằm tối ưu hóa khả năng truyền dẫn Mã hóa tiếng nói được lựa chọn là RPELPC (dự đoán tuyến tính kích thích xung đều) với tốc độ bit 13 kb/s, phù hợp cho truyền thông di động hiệu quả Ngoài ra, mã kênh dạng xoắn và phương pháp điều chế GMSK được chọn nhằm nâng cao hiệu quả phổ và chất lượng dịch vụ liên lạc.
Các đặc tả hệ thống GSM xuất hiện từ giữa năm 1988, nhưng do không thể xác định toàn diện các đặc điểm để kịp ra mắt vào năm 1991, nên hệ thống được phân chia thành hai giai đoạn để hoàn thiện Giai đoạn 1, tập trung vào các dịch vụ cơ bản, sẽ hoàn thành vào năm 1990, trong khi giai đoạn 2 sẽ xác định các dịch vụ bổ sung như fax, đồng thời sửa lỗi và nâng cao chất lượng của hệ thống Theo yêu cầu của Anh, một phiên bản GSM hoạt động trong dải tần 1800 MHz còn được triển khai trong giai đoạn 1, gọi là hệ thống tế bào số tại 1800 MHz (DCS1800) Giai đoạn hai dự kiến hoàn thành vào năm 1993, mở rộng với các đặc điểm mới như mã hóa tiếng nói bán tốc và tăng tốc độ di chuyển của máy di động mà vẫn đảm bảo liên lạc tin cậy, nâng cao hiệu quả và phạm vi hoạt động của hệ thống GSM.
Cấu trúc chung của hệ thống GSM
Một hệ thống GSM có thể được chia thành nhiều phân hệ sau đây:
- Phân hệ chuyển mạch (SS: Switching Subsystem)
- Phân hệ trạm gốc (BSS: Base Station Subsystem)
- Phân hệ khai thác (OSS: Operation Subsystem)
- Trạm di động (MS: Mobile Station)
Hình 0.1: Cấu trúc hệ thống GSM
2.2.1 Phân hệ chuyển mạch SS
Phân hệ chuyển mạch SS là thành phần quan trọng trong hệ thống GSM, chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng chuyển mạch chính và quản lý dữ liệu thuê bao Chức năng chính của SS là điều phối thông tin liên lạc giữa các thuê bao trong mạng GSM và các mạng khác, đảm bảo quá trình thuê bao hoạt động liên tục và hiệu quả Ngoài ra, SS còn cung cấp các cơ sở dữ liệu cần thiết để quản lý số liệu thuê bao, hỗ trợ quá trình quản lý di động và dịch vụ thuê bao trong hệ thống mạng di động GSM.
Phân hệ chuyển mạch SS bao gồm các khối chức năng sau:
Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC: Mobile Services Switching Center)
Bộ ghi định vị tạm trú (VLR: Visitor Location Register)
Bộ ghi định vị thường trú (HLR: Home Location Register)
Trung tâm nhận thực (AUC: Authentication Center)
Bộ nhận dạng thiết bị (EIR: Equipment Identity Register)
Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng (GMSC) đóng vai trò quan trọng trong mạng GSM, với chức năng chính là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến người dùng mạng Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC) thực hiện nhiệm vụ chuyển mạch chính tại các trạm gốc (SS), đảm bảo kết nối liên tục và hiệu quả cho các cuộc gọi di động MSC giao tiếp với các phân hệ khác trong hệ thống để tối ưu hóa quá trình chuyển mạch và xử lý cuộc gọi, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ di động cho người dùng.
MSC còn giao tiếp với mạng ngoài thông qua cổng MSC cổng để đảm bảo thông tin cho người dùng GSM, đòi hỏi các chức năng tương tác IWF để thích ứng giao thức và truyền dẫn Các thiết bị IWF cho phép kết nối MSC với các mạng như PSPDN hoặc CSPDN, kể cả khi chúng là PSTN hoặc ISDN, và có thể tích hợp trong hoặc ngoài MSC để mở rộng khả năng giao tiếp Khi thiết lập cuộc gọi đến người dùng GSM, hệ thống phải định tuyến qua tổng đài cổng GMSC để lấy thông tin vị trí của thuê bao từ HLR và định tuyến tới MSC tạm trú phù hợp Tổng đài cổng dựa trên số thoại của thuê bao để truy cập HLR cần thiết, và thông thường, các tổng đài cổng được kết hợp với MSC nhằm tối ưu hóa chi phí và hiệu quả vận hành.
HLR là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất trong mạng GSM, lưu trữ các thông tin nhận dạng của thuê bao như IMSI, MSISDN, trạng thái thuê bao, và các tham số xác thực như khoá nhận thực Các dữ liệu này cho phép mạng GSM quản lý và xác thực thuê bao hiệu quả, đồng thời được truy cập từ xa bởi các thiết bị như MSC và VLR VLR cũng đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ thông tin tạm thời về thuê bao đang di chuyển trong mạng, giúp đảm bảo quá trình liên lạc và chuyển đổi cuộc gọi diễn ra trơn tru.
VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM, có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời thông tin thuê bao của các thuê bao trong vùng phục vụ của MSC, đồng thời lưu giữ dữ liệu vị trí của thuê bao với độ chính xác cao hơn HLR Chức năng của VLR thường được liên kết chặt chẽ với chức năng của MSC để đảm bảo quản lý hiệu quả các thuê bao di động trong mạng Ngoài ra, trung tâm nhận thực AUC cũng đóng vai trò quan trọng trong xác thực người dùng và bảo vệ dữ liệu trong hệ thống mạng GSM.
AUC quản lý các thông tin xác thực và mật mã liên quan đến từng thuê bao dựa trên một khóa nhận dạng bí mật Ki để đảm bảo an toàn dữ liệu Khoá này được lưu giữ vĩnh viễn và bí mật trong bộ nhớ của thiết bị, có dạng SIM card có thể tháo rời và cắm lại dễ dàng AUC có thể được tích hợp trong HLR, MSC hoặc hoạt động độc lập với cả hai để đảm bảo tính linh hoạt trong quản lý an ninh số liệu của thuê bao.
Khi đăng ký thuê bao, khoá nhận thực Ki được ghi nhớ trên SIM card của thuê bao cùng với IMSI, giúp xác thực danh tính người dùng một cách an toàn Đồng thời, khoá nhận thực Ki còn được lưu trữ tại trung tâm nhận thực AUC, từ đó tạo thành bộ ba thông số thiết yếu cho quá trình xác thực và mã hóa dữ liệu, đảm bảo an ninh thông tin liên lạc.
Mật khẩu SRES được tạo ra từ Ki và số ngẫu nhiên RAND bằng thuật toán A3
Khoá mật mã Kc được tạo ra từ Ki và số ngẫu nhiên RAND bằng thuật toán A8 e Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR
Quản lý thiết bị di động được thực hiện thông qua bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR, lưu giữ dữ liệu quan trọng về các thiết bị di động của trạm di động MS EIR được kết nối với hệ thống MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị dựa trên tham số IMEI (International Mobile Equipment Identity) Khi thuê bao gửi thông tin thiết bị, số IMEI sẽ được so sánh với dữ liệu trong EIR để xác định xem thiết bị có bị đánh cắp hay không Nếu mã IMEI không khớp, thiết bị sẽ bị chặn truy cập vào mạng, đảm bảo an toàn cho mạng di động và chống sử dụng thiết bị trái phép.
2.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS
BSS chịu trách nhiệm giám sát các đường ghép nối vô tuyến và liên kết kênh vô tuyến với máy phát, đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống truyền dẫn không dây Ngoài ra, BSS còn quản lý cấu hình của các kênh vô tuyến để tối ưu hoá hiệu suất và chất lượng dịch vụ Việc kiểm soát chính xác các liên kết này giúp duy trì mạng lưới liên tục, tin cậy và đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu ngày càng cao của người dùng.
Điều khiển sự thay đổi tần số vô tuyến của đường kết nối và sự thay đổi công suất phát vô tuyến
Thực hiện mã hoá kênh và tín hiệu thoại số, phối hợp tốc độ truyền thông tin
Quản lý quá trình chuyển giao (Handover)
Thực hiện bảo mật kênh vô tuyến
Phân hệ BSS gồm hai khối chức năng chính: bộ điều khiển trạm gốc (BSC) và các trạm thu phát gốc (BTS) Khi khoảng cách giữa BSC và BTS dưới 10m, các kênh thông tin có thể kết nối trực tiếp theo chế độ Combine; ngược lại, khi khoảng cách lớn hơn, kết nối sẽ qua giao diện A-bis theo chế độ Remote Một BSC có khả năng quản lý nhiều BTS theo cấu hình hỗn hợp của cả hai chế độ này, đảm bảo tính linh hoạt và tối ưu hóa mạng lưới viễn thông.
Một BTS bao gồm các thiết bị phát thu, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến, có thể được xem như các modem vô tuyến phức tạp tích hợp chức năng khác Một thành phần quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder and Rate Adapter Unit), đảm nhận quá trình mã hoá, giải mã tiếng nói riêng cho GSM và thực hiện thích ứng tốc độ trong truyền số liệu TRAU không chỉ là bộ phận của BTS mà còn có thể đặt cách xa BTS, thậm chí nằm giữa BSC và MSC để tối ưu hóa hoạt động mạng di động.
BTS có các chức năng sau:
Quản lý lớp vật lý truyền dẫn vô tuyến
Quản lý giao thức cho liên kết số liệu giữa MS và BSC
Vận hành và bảo dưỡng trạm BTS
Cung cấp các thiết bị truyền dẫn và ghép kênh nối trên giao tiếp A-bis b Bộ điều khiển trạm gốc BSC
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến qua các lệnh điều khiển từ xa như ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (Handover), đảm bảo hoạt động liên tục của mạng di động Một phía BSC được kết nối với các trạm BTS, trong khi phía còn lại là kết nối với MSC của hệ thống đã cung cấp dịch vụ (SS), tạo thành mạng lưới thống nhất Trong thực tế, BSC hoạt động như một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể, có thể quản lý vài chục BTS tùy theo lưu lượng và nhu cầu của mạng Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BSC với BTS gọi là giao diện A-bis, giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi dữ liệu và điều khiển trong mạng di động GSM.
Nhân viên khai thác có thể thực hiện các công việc từ trung tâm khai thác và bảo dưỡng, giúp đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống OMC nạp phần mềm mới và dữ liệu xuống BSC để cập nhật và tối ưu hóa hiệu suất mạng Quản lý và bảo trì BSC bao gồm các chức năng khai thác, xử lý dữ liệu và hiển thị cấu hình, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.
The BSC (Base Station Controller) collects measurement data from BTS (Base Transceiver Stations) and BIE (Base Station Interface Equipment), stores this data in memory, and provides it to the OMC (Operation and Maintenance Center) upon request This process is essential for monitoring and managing network performance effectively.
2.2.3 Phân hệ khai thác OSS
Phân hệ khai thác thực hiện ba chức năng chính: a Điều khiển quản lý và bảo dưỡng OMC
OMC cho phép các nhà khai thác mạng theo dõi và kiểm tra hành vi trong mạng như tải hệ thống và số lượng chuyển giao giữa các cell, giúp giám sát chất lượng dịch vụ và xử lý sự cố kịp thời Việc khai thác, bảo trì bao gồm thay đổi cấu hình để giảm thiểu sự cố, nâng cấp dung lượng mạng, mở rộng vùng phủ sóng và sửa chữa các hỏng hóc, đảm bảo hoạt động liên tục của mạng Hệ thống kiểm tra có thể sử dụng thiết bị tự chẩn đoán để phát hiện hoặc dự báo sự cố dựa trên tính toán, từ đó tối ưu hoá quá trình bảo trì Các thay đổi trong mạng có thể thực hiện một cách mềm mại qua cảnh báo hoặc cứng cần can thiệp trực tiếp tại hiện trường, với quản lý qua máy tính đặt tại trạm để đảm bảo hiệu quả vận hành.
Các phương pháp đa truy nhập trong GSM
Trong hệ thống vô tuyến, MS và BTS liên lạc với nhau qua sóng vô tuyến, trong đó tài nguyên tần số hạn chế và số lượng thuê bao ngày càng tăng Để giải quyết vấn đề này, hệ thống trung kế vô tuyến được sử dụng, chia sẻ chung các kênh tần số theo kiểu trung kế nhằm tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên Hệ thống trung kế cung cấp số kênh sẵn có ít hơn số người dùng khả dĩ, nhưng xử lý trung kế cho phép nhiều người dùng cùng lúc sử dụng các kênh một cách trật tự Phương pháp này, gọi là đa truy nhập, giúp giảm thiểu xung đột trong việc sử dụng kênh và đảm bảo hiệu quả trong việc chia sẻ tài nguyên tần số trong mạng viễn thông.
Hiện nay, người ta sử dụng 5 phương pháp truy cập kênh vật lý:
FDMA (Đa truy cập phân chia theo tần số): phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau
TDMA (Đa truy cập phân chia theo thời gian): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau
CDMA (Đa truy cập phân chia theo mã): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau
PDMA (Đa truy cập phân chia theo cực tính): phục vụ các cuộc gọi theo các sự phân cực khác nhau của sóng vô tuyến
SDMA (Đa truy cập phân chia theo không gian): phục vụ các cuộc gọi theo các anten định hướng búp sóng hẹp
GSM sử dụng phương pháp đa truy cập kết hợp giữa FDMA và TDMA để tối ưu hóa việc phân phối băng thông Dải tần từ 935MHz đến 960MHz được dành cho đường xuống, còn dải từ 890MHz đến 915MHz dành cho đường lên trong hệ thống GSM 900 Một kênh trong GSM có băng thông 200KHz, trong đó dải tần bảo vệ rộng 200KHz, giúp tổng cộng có 124 kênh trong phương pháp FDMA Trong đó, phương pháp TDMA phân chia mỗi kênh thành các khung thời gian kéo dài 4.616ms, gồm 8 khe thời gian, với khe đường lên trễ hơn 3 khe so với khe đường xuống để cho phép truyền bán song công hiệu quả vẫn đảm bảo khả năng giao tiếp giữa thiết bị di động và trạm gốc.
Hình 0.2: Dải tần hệ thống GSM
Các kênh tần số được sử dụng ở GSM nằm trong dãy tần số quy định 900Mhz xác định theo công thức sau:
Dựa trên công thức, tần số ở nửa băng thấp (FL) và nửa băng cao (FU) xác định phạm vi tần số trong mạng GSM, trong đó khoảng cách giữa các kênh lân cận là 0,2 MHz và khoảng cách thu phát là 45 MHz Số kênh vô tuyến có thể tổ chức trong mạng GSM là 124 kênh, bảo đảm khả năng liên lạc linh hoạt Để tránh gây nhiễu giữa các kênh lân cận, từng BTS phủ một ô của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau, đồng thời tần số chỉ được tái sử dụng ở khoảng cách cho phép để duy trì chất lượng dịch vụ.
Truyền dẫn vô tuyến trong hệ thống GSM được chia thành các cụm (Burst) chứa hàng trăm bit đã được điều chế để truyền tín hiệu hiệu quả Mỗi cụm burst này được phát đi trong một khe thời gian dài 577 microgiây (μs) trong phạm vi tần số rộng 200 KHz, giúp tối ưu hóa khả năng truyền dữ liệu Mỗi kênh tần số trong GSM cho phép tổ chức các khung thời gian theo chu kỳ, với mỗi khung gồm 8 khe thời gian từ TS0 đến TS7, đảm bảo linh hoạt trong quá trình truyền và nhận dữ liệu.
Kênh vật lý và kênh logic
2.4.1 Kênh vật lý Đối với GSM kênh vật lý là một khe thời gian ở một sóng mang vô tuyến được chỉ định Có ba loại kênh vật lý:
TCH/F (Full rate): kênh toàn tốc Truyền dẫn tín hiệu thoại ở tốc độ 13kbps hoặc tốc độ dữ liệu 12, 6 kbps và 3.6kbps
TCH/H (Half rate): kênh bán tốc Truyền dẫn mã tín hiệu thoại ở tốc độ 7kbps hoặc tốc độ dữ liệu là 6 và 3.6kbps
TCH/8 (One-eight rate): kênh tốc độ 1/8 Dùng cho kênh báo hiệu, kênh chung và kênh dữ liệu tốc độ thấp
Các kênh logic được tổ chức dựa trên quan điểm nội dung tin tức, nổi bật với vai trò truyền tải thông tin giữa BTS và MS Những kênh này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra hiệu quả, đồng thời được tích hợp vào các kênh vật lý đã đề cập Việc hiểu rõ cấu trúc các kênh logic giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn và nâng cao độ ổn định của hệ thống mạng.
Hình 0.3: Cấu trúc kênh logic
Các kênh logic trong hệ thống có thể được chia thành hai loại chính: kênh lưu lượng và kênh báo hiệu điều khiển Trong đó, các kênh lưu lượng gồm hai dạng chính, được định nghĩa rõ ràng nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.
- Bm hay TCH toàn tốc (TCH/F), kênh này mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 22,8 kbit/s
- Lm hay TCH bán tốc (TCH/H), kênh này mang thông tin ở tốc độ vào khoảng 11,4 kbit/s
Các kênh báo hiệu điều khiển chia làm ba loại: kênh điều khiển quảng bá, kênh điều khiển chung và dành riêng
Kênh đi ề u khi ể n qu ả ng bá:
- Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Channel): dùng để hiệu chỉnh tần số cho MS, lặp lại mỗi 51 x 8 chu kỳ cụm, chỉ sử dụng ở đường xuống
- Kênh đồng bộ SCH (Synchronization Channel): SCH mang thông tin đồng bộ khung cho MS và nhận dạng BTS SCH chỉ được dùng ở đường xuống
Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broadcast Control Channel) phát sóng đều đặn thông tin về hệ thống tế bào trong mỗi cell, giúp các thiết bị di động nhận diện và kết nối với mạng BCCH chỉ cung cấp dữ liệu đường xuống, đảm bảo việc duy trì liên lạc và tối ưu hóa khả năng kết nối của các thiết bị di động khi thiết bị ở trạng thái nghỉ Việc truyền dữ liệu ổn định qua kênh BCCH đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hoạt động liên tục của hệ thống mạng di động.
- Kênh quảng bá cuộc gọi CBCH (Call Broadcast Channel): Mỗi cell phát quảng bá một bảng tin ngắn từ mạng đến MS ở trạng thái nghỉ
MS tìm cụm FCCH trước, sau đó dò tìm cụm SCH trên cùng tần số để đảm bảo đồng bộ hệ thống Tiếp đó, thiết bị di động thu BCCH trên nhiều khe thời gian nhằm cung cấp thông tin mạng tối ưu, rồi chọn một cell riêng trong trạng thái nghỉ để duy trì kết nối ổn định.
Kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Chanel):
The Random Access Channel (RACH) allows mobile stations (MS) to request a dedicated control channel, such as the Standalone Dedicated Control Channel (SDCCH) RACH operates at two different speeds, RACH/F and RACH/H, to facilitate efficient connection management in the network.
- Kênh cho phép tìm gọi PCH (Paging Channel): dùng để tìm gọi
MS, sử dụng cho đường xuống
- Kênh cho phép truy cập AGCH (Access Grant Chanel): AGCH chỉ được dùng ở đường xuống để chỉ định một SDCCH cho MS
Kênh điều khiển dành riêng DCCH (Dedicated Control Chanel):
Tất cả các kênh báo hiệu là một trong những kênh vật lý, và tên của kênh được dựa trên chức năng logic của kênh
Kênh điều khiển kết nối chậm SACCH (Slow Associated Control Channel) liên kết với một TCH hoặc SDCCH, là kênh số liệu liên tục dùng để truyền các báo cáo đo lường, định trước thời gian và điều khiển công suất SACCH được sử dụng cho cả chiều lên và chiều xuống trong hệ thống mạng di động, giúp đảm bảo quản lý liên lạc hiệu quả và liên tục.
Kênh điều khiển kết nối nhanh FACCH (Fast Associated Control Channel) giúp thiết lập cell mới, xác nhận thuê bao và yêu cầu chuyển giao cuộc gọi giữa các tế bào một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Kênh điều khiển độc lập SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) là kênh dùng cho cả đường lên và đường xuống, đảm nhiệm việc cập nhật thông tin và thiết lập cuộc gọi trước khi một TCH (Traffic Channel) được chỉ định, đảm bảo quá trình gọi điện diễn ra suôn sẻ và hiệu quả.
Trong hệ thống GSM, khe vô tuyến chỉ được phân phối đến người dùng sau khi cuộc gọi đã được thiết lập thành công, đảm bảo chất lượng dịch vụ Có hai chế độ hoạt động chính là chế độ dành riêng và chế độ rỗi, tùy thuộc vào tình trạng của đường lên hay đường xuống Trong thuật ngữ GSM, đường xuống đề cập đến tín hiệu phát ra từ trạm gốc đến thiết bị di động (MS), trong khi đường lên là tín hiệu gửi từ thiết bị di động về trạm gốc, giúp hệ thống kiểm soát và quản lý hiệu quả các cuộc gọi.
Trong các kênh thoại và dữ liệu, mỗi khe thời gian chứa 260 bits cho mỗi khối, trong khi toàn bộ khối có 316 bits, đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả Đối với kênh dữ liệu, mỗi khe thời gian có thể chứa 120 hoặc 240 bits cho mỗi khối, phù hợp với các yêu cầu về băng thông và chất lượng dịch vụ.
- Chế độ kênh: bởi vì sự hạn chế của phổ tần số, nên không có một người dùng nào được cấp một kênh dành riêng
Chế độ dành riêng trong mạng di động cho phép sử dụng kênh TCH để duy trì kết nối trong suốt cuộc gọi và sử dụng SACCH để cập nhật vị trí liên tục TCH và SACCH là các kênh riêng biệt được thiết lập cho cả đường lên và đường xuống, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong truyền tải dữ liệu trong chế độ dành riêng.
Trong chế độ nghỉ, năm kênh đường xuống như FCCH, SCH, BCCH phát quảng bá đều đặn khi không có cuộc gọi, giúp thiết bị di động dễ dàng nhận biết mạng Các kênh PAGCH và CBCH gửi bản tin mỗi 2 giây để duy trì liên lạc và cập nhật thông tin mạng Trong suốt thời gian này, thiết bị di động lắng nghe các kênh đường xuống, đồng thời sử dụng SDCCH để ghi nhận và thiết lập liên kết vị trí với trạm gốc tương ứng, đảm bảo kết nối liên tục và ổn định.
Chuyển giao trong mạng GSM
Trong lúc cuộc gọi diễn ra, hai thuê bao cùng ở trên một kênh thoại Khi một MS di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của trạm gốc chứa
Trong mạng di động, khi tín hiệu thu yếu từ thiết bị di động, trạm gốc sẽ tiến hành thủ tục chuyển giao cuộc gọi đến một kênh tần số mới tại trạm gốc khác để đảm bảo cuộc gọi không bị ngắt Quá trình chuyển giao này diễn ra một cách liền mạch, không gây gián đoạn cuộc gọi hoặc yêu cầu bắt đầu lại cuộc gọi mới Ngoài ra, chuyển giao còn có thể được thực hiện không vì lý do tín hiệu yếu, mà nhằm mục đích cải thiện khả năng chống nhiễu trong mạng, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ cho người dùng.
MS hoạt động thông tin tối ưu trong vùng tối ưu nhất theo quan điểm phòng vệ nhiễu, ngay cả khi tín hiệu trước chuyển giao vẫn còn mạnh Loại chuyển giao thứ ba là chuyển giao lưu thông, nhằm giải quyết tình trạng tăng đột biến dung lượng trong một cell do một lý do nào đó Để giảm nghẽn mạch tại cell đó, hệ thống thực hiện chuyển giao thuê bao sang cell kế cận, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định của mạng lưới.
Có hai tiêu chuẩn chuyển giao sau đây:
Tiêu chuẩn 1 đề cập đến xác định thời điểm sớm của cell, trong đó nếu cell mới đồng bộ với cell cũ thì nhà mạng (MS) có thể tính toán sự định thời sớm mới dựa trên chuyển giao đồng bộ Trường hợp chuyển giao dị bộ, cả hệ thống MS và BTS mới đều phải khởi tạo lại sự định thời sớm, đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả của mạng lưới.
Tiêu chuẩn 2 đề cập đến vị trí điểm chuyển mạch trong cơ sở hạ tầng mạng di động PLMN Chuyển giao có thể xảy ra giữa các ô (cell) do một BSC quản lý, giữa các BSC do MSC quản lý, hoặc giữa các MSC khác nhau Việc xác định chính xác vị trí điểm chuyển mạch là yếu tố quan trọng để đảm bảo quá trình chuyển đổi không gián đoạn và duy trì liên lạc liên tục cho người dùng trong mạng di động.
Hình 0.4: Chuyển giao trong mạng GSM
Một số thủ tục cơ bản trong mạng GSM
2.6.1 Bật/tắt máy ở trạm di động
Khi MS mới bật nguồn, MS phải thực hiện đăng ký lần đầu để nhập mạng Quá trình được thực hiện như sau:
Trước hết trạm MS quét để tìm được tần số đúng ở kênh FCCH (Kênh hiệu chỉnh tần số)
Sau đó tìm đến kênh đồng bộ SCH để nhận được khung TDMA cho đồng bộ
MS cuối cùng thực hiện cập nhật vị trí để thông báo cho VLR phụ trách HLR về vị trí hiện tại của mình Các cơ sở dữ liệu liên quan ghi lại nhận dạng vùng định vị (LAI) hiện tại của MS, tương tự như việc cập nhật vị trí thông thường dựa trên thông tin LAI nhận được từ kênh BCCH.
Bắt đầu từ lúc MSC/VLR công nhận là MS tích cực và đánh dấu cờ
“truy nhập tích cực” vào trường dữ liệu thì cờ này gắn với một số nhận dạng thuê bao: IMSI
Khi tắt nguồn một trạm viễn thông hoặc tháo SIM, quá trình rời bỏ IMSI sẽ diễn ra, gây ra các trao đổi báo hiệu quan trọng Quá trình này đảm bảo an toàn trong mạng mạng di động, giúp duy trì hiệu quả hoạt động của hệ thống Hiểu rõ quy trình rời bỏ IMSI là yếu tố quan trọng để đảm bảo an ninh mạng và tối ưu hóa hiệu suất mạng di động.
MS yêu cầu một kênh báo hiệu để truyền đi bản tin thông báo cho mạng về việc MS chuẩn bị chuyển sang trạng thái không tích cực, điều này có nghĩa là mạng sẽ không còn khả năng đạt đến MS nữa, giúp các thiết bị trong mạng có thể chủ động phản ứng kịp thời để duy trì hoạt động ổn định.
MSC sẽ gửi bản tin IMSI đến VLR, tuy nhiên bản tin này không được xác nhận vì MS sẽ không nhận được phản hồi, dẫn đến VLR thiết lập cờ rời bỏ IMSI và từ chối các cuộc gọi đến trạm MS đó, giúp đảm bảo an toàn mạng và kiểm soát truy cập hiệu quả.
Thông tin rời bỏ IMSI có thể được lưu giữ tại VLR nhờ vào cờ tùy chọn rời, giúp mạng lưu trữ dữ liệu một cách linh hoạt và an toàn Ngoài ra, mạng có thể được thiết lập tại HLR và xác nhận thông tin này gửi trở lại VLR, đảm bảo quá trình quản lý thuê bao diễn ra hiệu quả và chính xác.
MS ở trạng thái tích cực, rỗi và di chuyển liên tục theo một phương xác định Khi rời xa BTS, cường độ tín hiệu của MS sẽ giảm, và khi đến gần biên giới giữa hai cell lân cận, cường độ này có thể giảm đủ để MS quyết định chuyển sang tần số mới của cell bên cạnh Trong quá trình này, MS liên tục đo cường độ tín hiệu của các tần số trong vùng lân cận để chọn tần số tốt nhất, thường là BCH/CCCH có tín hiệu mạnh hơn tần số cũ Sau khi tự khóa vào tần số mới, MS vẫn tiếp tục nhận các thông báo quảng bá khi tín hiệu của tần số mới còn đủ mạnh, và quá trình chuyển đổi tần số này diễn ra tự động mà không cần thông báo từ mạng, đảm bảo hiệu quả và liên tục trong kết nối.
Khả năng chuyển động vô định đồng thời với việc thay đổi kết nối
MS ở giao tiếp vô tuyến tại thời điểm cần thiết để đảm bảo chất lượng thu được gọi là lưu động “Roaming”
- Khi MS chuyển động đến giữa hai cell thuộc 2 BTS khác nha u:
Trong hệ thống mạng di động, căn cứ vào việc MS không biết cấu hình mạng chứa, hệ thống gửi thông tin định vị vùng (LAI) liên tục qua giao tiếp vô tuyến bằng BCCH để xác định vị trí chính xác của người dùng Khi di chuyển vào cell thuộc BSC khác, MS sẽ nhận biết vùng mới bằng cách thu nhận tín hiệu BCCH, từ đó cập nhật vị trí của mình Do tầm quan trọng của thông tin về vị trí, mạng phải thông báo về sự thay đổi này, quá trình này gọi là “đăng ký cưỡng bức” trên điện thoại di động nhằm đảm bảo cập nhật chính xác vị trí của thuê bao.
Trong mạng viễn thông, MS phải cố gắng thâm nhập vào mạng để cập nhật vị trí của mình tại MSC/VLR, quá trình này được gọi là cập nhật vị trí Sau khi gửi vị trí mới lên mạng, thiết bị di động tiếp tục di chuyển trong vùng mới, duy trì kết nối và hoạt động ổn định trong mạng.
Khi điện thoại di động chuyển đổi giữa hai vùng phục vụ khác nhau, hệ thống cần cập nhật vị trí của thiết bị để đảm bảo định tuyến chính xác Trong quá trình này, khi có cuộc gọi đến, tuyến thông tin sẽ di chuyển qua các mạng khác nhau của MSC/VLR, khiến hệ thống phải tham khảo bộ ghi định vị HLR để xác định tuyến đường phù hợp Do đó, MSC/VLR cần cập nhật thông tin vị trí của thiết bị lên HLR để duy trì dịch vụ liên tục và chính xác.
2.6.3 Thực hiện cuộc gọi a Cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định
Trình tự thiết lập cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định như sau:
1 Thiết bị gửi yêu cầu một kênh báo hiệu
2 BSC/TRC sẽ chỉ định kênh báo hiệu
3 Thiết bị gửi yêu cầu cuộc gọi cho MSC/VLR Thao tác đăng ký trạng thái tích cực cho thiết bị vào VLR, xác thực, mã hóa, nhận dạng thiết bị, gửi số được gọi cho mạng, kiểm tra xem thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi ra đều được thực hiện trong bước này
4 Nếu hợp lệ MSC/VLR báo cho BSC/TRC một kênh đang rỗi
5 MSC/VLR chuyển tiếp số được gọi cho mạng PSTN
6 Nếu máy được gọi trả lời, kết nối sẽ thiết lập
Hình 0.5 mô tả quy trình gọi từ thiết bị di động đến điện thoại cố định Điểm khác biệt quan trọng so với cuộc gọi từ thiết bị di động là vị trí của thiết bị không được biết chính xác Do đó, trước khi kết nối thành công, mạng cần thực hiện các bước xác định vị trí của thiết bị di động để đảm bảo quá trình liên lạc diễn ra chính xác và hiệu quả.
1 Từ điện thoại cố định, số điện thoại di động được gửi đến mạng PSTN Mạng sẽ phân tích và nếu phát hiện ra từ khóa gọi mạng di động, mạng PSTN sẽ kết nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác thích hợp
2 GMSC phân tích số điện thoại di động để tìm ra vị trí đăng ký gốc trong HLR của thiết bị và cách thức nối đến MSC/VLR phục vụ
Hình 0.6: Gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị di động
3 HLR phân tích số di động gọi đến để tìm ra MSC/VLR đang phục vụ cho thiết bị Nếu có đăng ký dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi đến, cuộc gọi sẽ được trả về GMSC với số điện thoại được yêu cầu chuyển đến
4 HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ
5 MSC/VLR gửi bản tin trả lời qua HLR đến GMSC
6 GMSC phân tích bản tin rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR
7 MSC/VLR biết địa chỉ LA của thiết bị nên gửi bản tin đến BSC quản lý LA này
8 BSC phát bản tin ra toàn bộ vùng các cell thuộc LA
9 Khi nhận được bản tin thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngược lại
10 BSC cung cấp một khung bản tin chứa thông tin
11 Phân tích bản tin của BSC gửi đến để tiến hành thủ tục bật trạng thái của thiết bị lên tích cực, xác nhận, mã hóa, nhận diện thiết bị
Các dịch vụ của GSM
Dịch vụ thoại hai chiều là thành phần quan trọng nhất của mạng GSM, cho phép người dùng thực hiện cuộc gọi đến bất kỳ thuê bao nào trong mạng điện thoại Tốc độ truyền thoại trong hệ thống GSM đạt mức 13kbps, đảm bảo chất lượng liên lạc ổn định và hiệu quả.
Dịch vụ cuộc gọi khẩn cấp xuất phát từ dịch vụ thoại, giúp người dùng liên lạc với các dịch vụ cứu nạn như cảnh sát hoặc cứu hoả Dịch vụ này có thể hoạt động ngay cả khi điện thoại không có SIM card, đảm bảo người dùng có thể liên hệ trong các tình huống khẩn cấp một cách nhanh chóng và dễ dàng.
GSM được thiết kế để cung cấp đa dạng dịch vụ dữ liệu, phù hợp với nhiều nhu cầu sử dụng khác nhau Các dịch vụ dữ liệu này phân biệt dựa trên phương tiện người dùng sử dụng, như mạng điện thoại PSTN hoặc ISDN, cũng như dựa trên bản chất của các luồng thông tin đầu cuối, chẳng hạn như dữ liệu thô, fax, videotex, hay teletex Ngoài ra, các dịch vụ còn được phân biệt theo phương tiện truyền dẫn như gói hay mạch, đồng bộ hay không đồng bộ, và đặc điểm của thiết bị đầu cuối **Tối ưu SEO:** dịch vụ dữ liệu GSM, phân biệt dịch vụ dữ liệu GSM, phương tiện truyền dẫn GSM, thiết bị đầu cuối GSM, công nghệ GSM trong truyền thông số.
Tốc độ truyền số liệu trên mạng GSM là 9,6kbps
2.7.3 Dịch vụ nhắn tin SMS
Dịch vụ nhắn tin ngắn SMS là một dịch vụ số liệu cho phép thuê bao GSM gửi và nhận các bản tin chữ dài không quá 160 ký tự Người dùng có thể sử dụng trung tâm dịch vụ để gửi hoặc đọc tin nhắn, và tin sẽ được phát đến thuê bao mục tiêu Nếu thuê bao ở ngoài vùng phủ sóng hoặc tắt nguồn, tin nhắn sẽ được lưu trữ và gửi tự động khi thuê bao trở lại trạng thái sẵn sàng Dịch vụ SMS cho phép gửi và nhận thông báo ngắn ở trạng thái rỗi hoặc trong quá trình cuộc gọi, mang lại sự linh hoạt và tiện lợi cho người dùng.
Dịch vụ WAP được xây dựng và triển khai lần đầu vào năm 1997, bắt đầu hành trình phát triển cách đây hơn hai thập kỷ Hiện nay, dịch vụ WAP đã trở thành một phần quen thuộc trong đời sống số, giúp người dùng truy cập các trang web giới hạn để xem thông tin về thị trường chứng khoán, tin tức, gửi và nhận email thông qua điện thoại di động, máy nhắn tin hoặc các thiết bị viễn thông hỗ trợ WAP Dịch vụ này có tiêu chí đơn giản nhưng cực kỳ tiện lợi, mang lại trải nghiệm truy cập Internet di động nhanh chóng và tiện ích.
WAP sử dụng các công nghệ và khái niệm từ thế giới web và Internet, nhưng các thiết bị WAP không thể truy cập trực tiếp vào các nguồn tài nguyên trực tuyến Thay vào đó, họ cần phải thông qua WAP gateway để truy cập dữ liệu và dịch vụ web Đây là bước trung gian giúp tối ưu hóa quá trình truy cập Internet trên các thiết bị di động nhỏ gọn, đảm bảo trải nghiệm người dùng mượt mà và hiệu quả hơn.
2.7.5 Các dịch vụ mới của GSM 2.5G
Vào cuối năm 2003, các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động tại Việt Nam đã giới thiệu hai dịch vụ mới dựa trên công nghệ GSM 2,5G, bao gồm dịch vụ dữ liệu vô tuyến GPRS và dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS), nhằm nâng cao trải nghiệm người dùng và mở rộng khả năng kết nối di động.
Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: General Packet Radio Service):
GPRS là dịch vụ truyền dữ liệu chuyển mạch gói dựa trên công nghệ GSM, giúp người dùng chuyển dữ liệu tốc độ cao qua điện thoại di động Đây là nền tảng quan trọng cho các ứng dụng thương mại di động, dịch vụ MMS và truy cập Internet WAP với tốc độ cao Với khả năng truyền dữ liệu lên tới 171,2 kbps, GPRS mở ra nhiều cơ hội phát triển dịch vụ di động tiên tiến.
Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS: Multimedia Messaging Service):
Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MMS cho phép người dùng điện thoại di động trao đổi ảnh tĩnh (JPG), hình động (GIF), âm thanh, giọng nói, video streaming và văn bản dài đến 1000 ký tự Đây là giải pháp tin nhắn linh hoạt không chỉ giữa các điện thoại di động mà còn kết nối với email, giúp dễ dàng trao đổi nội dung đa phương tiện đa dạng MMS mở rộng khả năng giao tiếp bằng cách gửi và nhận các loại tin nhắn đa dạng, nâng cao trải nghiệm liên lạc của người dùng.
Mạng GPRS
GPRS là công nghệ chuyển mạch gói phát triển trên nền tảng GSM, cho phép nhà khai thác mạng triển khai nhiều ứng dụng di động Tốc độ tối đa của GPRS có thể đạt tới 171.2kbps, gấp hơn 15 lần so với tốc độ của mạng GSM trước đây là 9.6kbps, giúp người dùng truy cập internet nhanh chóng và tiện lợi hơn.
MS có tính năng WAP cho phép gửi tin nhắn hình ảnh và âm thanh, đồng thời truy cập mạng intranet để gửi email, nhận fax và truy cập các cơ sở dữ liệu quan trọng.
GPRS giúp cung cấp dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS) và dịch vụ truyền ảnh động VTR (Video Streaming), mang lại khả năng kết nối liên tục Công nghệ này cho phép người dùng đồng thời duy trì kết nối internet và thực hiện cuộc gọi điện thoại mà không bị gián đoạn Phí truy cập mạng GPRS được tính dựa trên lưu lượng dữ liệu truyền tải, giúp tối ưu chi phí cho người dùng.
2.8.2.1 Những điểm mới trong cấu trúc mạng GPRS so với GSM
Thành phần mạng GSM Nâng cấp để đáp ứng với GPRS Đầu cuối thuê bao (TE)
Toàn bộ các đầu cuối mới phải truy cập được các dịch vụ GPRS
Các đầu cuối loại mới này sẽ phải tương thích với GSM cho các cuộc gọi
BTS Cập nhật phần mềm trong các trạm thu phát cơ sở (BTS) hiện thời
Việc nâng cấp phần mềm bộ điều khiển trạm cơ sở (BSC) cần thực hiện ngay từ bước cài đặt phần cứng mới nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu và ổn định PCU (Packet Control Unit) là thiết bị điều khiển luồng dữ liệu gói, hướng dữ liệu tới mạng GPRS và có thể là phần cứng riêng gắn liền với BSC để nâng cao hiệu suất truyền tải Mạng lõi đóng vai trò then chốt trong việc kết nối và quản lý toàn bộ các thành phần của hệ thống mạng viễn thông, đảm bảo dịch vụ liền mạch và an toàn cho người dùng.
Khi triển khai GPRS, cần cài đặt các thành phần mạng lõi gọi là nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN:Serving GPRS support Node)
Các cơ sở dữ liệu (VLR,
Tất cả các dữ liệu trong mạng cần phải nâng cấp phần mềm để điều khiển các chức năng và các hình thức mới của GPRS
Hình 0.12: Cấu trúc mạng GPRS
GPRS được phát triển dựa trên mạng GSM sẵn có, với phần mềm của các phần tử mạng GSM cần được nâng cấp để tích hợp dịch vụ mới, ngoại trừ BSC yêu cầu nâng cấp phần cứng Ban đầu, GSM được thiết kế để thực hiện chuyển mạch kênh, do đó việc đưa dịch vụ chuyển mạch gói vào mạng cần bổ sung các thiết bị mới như node hỗ trợ GPRS dịch vụ (SGSN) và node hỗ trợ GPRS cổng (GGSN), cả hai được gọi chung là các node GSN Các thuê bao đầu cuối GPRS (TE) là các thiết bị cuối góp phần vào quá trình kết nối và sử dụng dịch vụ dữ liệu trên mạng GPRS.
Để hoạt động hiệu quả, cần có các thiết bị Terminal Equipment (TE) mới do điện thoại GSM hiện nay không có khả năng điều khiển giao diện không gian tăng cường cũng như gói hóa lưu lượng trực tiếp Các loại đầu cuối đa dạng bao gồm điện thoại tốc độ cao hỗ trợ truy nhập dữ liệu tốc độ cao và card PC phù hợp cho máy tính laptop Tất cả các đầu cuối này đều tương thích với mạng GSM để thực hiện các cuộc gọi thoại một cách hiệu quả.
Thiết bị đầu cuối GPRS có thể hoạt động được ở ba 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) hạn chế thiết bị di động không sử dụng đồng thời dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, nhưng có thể chuyển đổi liên tiếp giữa hai dịch vụ này một cách tự động Trong chế độ này, máy đầu cuối có thể nhận tin nhắn cho dịch vụ chuyển mạch kênh trong khi đang truyền dữ liệu dạng gói Khi nhận tin nhắn, thiết bị sẽ tạm dừng truyền tải dữ liệu, và sau khi kết nối kết thúc, nó sẽ tự động quay trở lại chế độ truyền dữ liệu, đảm bảo hoạt động liền mạch và linh hoạt.
Chế độ 3 (Class 3) chỉ cho phép máy đầu cuối di động sử dụng một dịch vụ chuyển mạch kênh hoặc chuyển mạch gói tại một thời điểm, tạo điều kiện cho các thiết bị di động hoạt động hiệu quả hơn trong mạng GPRS Các trạm BSS của mạng GPRS đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý kết nối, đảm bảo khả năng chuyển đổi mượt mà giữa các dịch vụ truyền dữ liệu Mô hình này thường được chọn lựa thủ công hoặc theo mặc định để tối ưu hóa hiệu suất mạng và tiết kiệm tài nguyên.
Mỗi BSS cần cài đặt một hoặc nhiều PCU (Packet Control Unit - Bộ điều khiển gói) để tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu gói giữa máy đầu cuối và SGSN Việc nâng cấp phần mềm PCU giúp nâng cao hiệu suất và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống viễn thông PCU đóng vai trò quan trọng trong quản lý dữ liệu gói, góp phần cải thiện chất lượng dịch vụ mạng di động.
BTS cần nâng cấp phần mềm, các phần cứng không cần nâng cấp
Trong mạng viễn thông, dữ liệu thoại và dữ liệu số liệu đều xuất phát từ một đầu cuối thuê bao và được truyền qua giao diện tới BTS, sau đó từ BTS đến BSC theo chuẩn gọi GSM Tại đầu ra của BSC, lưu lượng dữ liệu được phân tách rõ ràng: thoại được chuyển đến MSC theo chuẩn GSM, còn dữ liệu số liệu được gửi tới SGSN qua PCU trên giao diện chuyển tiếp khung Frame Relay.
Khối điều khiển dữ liệu gói PCU (Packet Control Unit)
Khối điều khiển dữ liệu gói PCU chịu trách nhiệm tích hợp chức năng điều khiển kênh vô tuyến GPRS với hệ thống trạm gốc BSS của mạng GSM hiện tại PCU được lắp đặt tại bộ điều khiển trạm gốc BSC để hỗ trợ hoạt động của BSC đó Nó quản lý các chức năng chuyển tiếp khung trong trường hợp kết nối qua mạng chuyển tiếp khung, đồng thời xử lý các thông tin báo hiệu về dịch vụ mạng và báo hiệu BSSGP (giao thức GPRS BSS) Ngoài ra, PCU còn định tuyến các bản tin báo hiệu và quản lý tải tin các lớp, đảm bảo hoạt động hiệu quả của mạng GPRS.
RLC/MAC (Điều khiển kết nối vô tuyến/ Điều khiển truy nhập trung gian) và truyền tải dữ liệu của người sử dụng
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
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 hiệu GPRS
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hình 0.13: Giao diện Gb mở kết nối PCU với SGSN
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Tìm hiểu thêm về công nghệ EDGE
Giải pháp nâng cấp mạng GSM lên GPRS đã giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 170kbps, nhưng vẫn chưa đáp ứng đủ yêu cầu của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện Dịch vụ GPRS nhờ sự kết hợp của các khe thời gian đã tạo ra tốc độ cao hơn, tuy nhiên việc sử dụng kỹ thuật điều chế GMSK nguyên thủy vẫn giới hạn tốc độ truyền dữ liệu Công nghệ EDGE ra đời bằng cách kết hợp ghép khe thời gian với việc thay đổi kỹ thuật điều chế từ GMSK sang 8PSK, giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu trong mạng GPRS lên gấp 2 đến 3 lần, đáp ứng tốt hơn nhu cầu truyền thông hiện đại.
EDGE là kỹ thuật truyền dữ liệu số trên điện thoại di động giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu và nâng cao độ tin cậy của kết nối Đây được xem như một chuẩn 2,75G không chính thức, do tốc độ mạng chậm hơn so với 3G EDGE đã được giới thiệu rộng rãi trên toàn thế giới bắt đầu từ năm 2003, trong đó Bắc Mỹ là thị trường đầu tiên triển khai mạng GSM/EDGE Radio Access Network (GERAN).
EDGE là bước tiếp theo trong việc nâng cấp mạng GSM, giúp tăng tốc độ dữ liệu lên đến 384kbps bằng cách sử dụng phương pháp điều chế mới gọi là 8PSK Công nghệ này không yêu cầu thay đổi phần cứng hoặc phần mềm trong mạng lõi GSM hiện tại, giúp quá trình nâng cấp trở nên dễ dàng hơn Để triển khai EDGE, các đơn vị thu phát phải được cài đặt lại và hệ thống BSS cần được nâng cấp để hỗ trợ công nghệ mới, trong khi phần cứng đầu cuối di động và phần mềm cần phải được cập nhật để xử lý mã hoá và điều chế dữ liệu cao hơn Phương pháp điều chế 8PSK cùng tồn tại với kỹ thuật GMSK truyền thống trong GSM, cho phép khách hàng tiếp tục sử dụng điện thoại cũ nếu không cần dịch vụ tốc độ cao hơn Trong khi đó, GMSK vẫn giữ vai trò quan trọng trong các vùng rộng, do hiệu quả của 8PSK chỉ tối ưu trong vùng hẹp.
Nếu EDGE được sử dụng cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng cấp EGPRS
Hình 0.19: EGPRS giới thiệu những thay đổi trên BSS trong mạng GPRS
Bảng 2.1: GPRS và EDGE: so sánh thông tin kỹ thuật (8PSK, GMSK,
EDGE có khả năng phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong cùng một chu kỳ, đây là yếu tố chính giúp tốc độ bit của EDGE nhanh hơn Theo tiêu chuẩn của ITU, giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng là 384kbps, tương đương với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử thiết bị sử dụng 8 khe thời gian.
1 Hãy trình bày cấu trúc chung của hệ thống GSM Nêu nhiệm vụ chủ yếu của: Phân hệ chuyển mạch, phân hệ trạm gốc, phân hệ khai thác, trạm di động
2 Hãy trình bày các phương pháp đa truy nhập trong GSM
3 Hãy trình bày cấu trúc kênh vật lý và kênh logic của GSM
4 Hãy trình bày kỹ thuật chuyển giao trong mạng GSM
5 Hãy trình bày các dịch vụ cơ bản của GSM
6 Hãy trình bày những điểm mới trong cấu trúc mạng GPRS so với GSM
7 Hãy trình bày cấu trúc mạng GPRS
8 Hãy trình bày các dịch vụ cơ bản của GPRS về công nghệ EDGE
9 Hãy trình bày vắn tắt về công nghệ EDGE