Tìm Hiểu Về Mạng Gprs.docx

Ch­ng I tæng quan hÖ thèng th«ng tin di ®éng gsm 1 §å ¸n tèt nghiÖp Môc lôc Lêi më ®Çu 3 Ch¬ng 1 TæNG QUAN VÒ TH¤NG TIN DI §éNG 5 1 1 LÞch sö ph¸t triÓn th«ng tin di ®éng 5 1 1 1 Bèi c¶nh lÞch sö 5 1[.]

Mục lục

Lời mở đầu 3

Chơng 1: TổNG QUAN Về THÔNG TIN DI ĐộNG 5

1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động 5

1.1.1 Bối cảnh lịch sử 5

1.1.2 Các hệ thống thông tin di động trên thế giới 6

1.2 Các phơng pháp đa truy nhập trong thông tin di động 9

1.2.1 Giới thiệu chung 9

a Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): 9

b Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 12

c Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA): 13

1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống CDMA 14

1.4 So sánh về các hệ thống đa truy nhập 16

CHƯƠNG 2: Cấu trúc hệ thống thông tin di động GSM 21

2.1 Cấu trúc hệ thống 21

2.2 Chức năng các phần tử trong mạng GSM 22

2.2.1 Phân hệ chuyển mạch NSS 22

2.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS 24

2.2.3 Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS 25

2.2.4 Trạm di động MS 25

2.3 Mạng báo hiệu 26

2.3.1 Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM 26

2.3.2 Các giao diện trong hệ thống GSM 28

2.4 Giao diện vô tuyến 29

Chơng 3: mạng GPrs 32

3.1.Giới thiệu 32

3.1.1 GPRS là gì? 32

3.1.2 Các đặc điểm của mạng GPRS 33

3.1.3 Một số ứng dụng của GPRS 36

3.1.4 Các điểm khác nhau của mạng GPRS với GSM: 37

3.2 Kiến trúc tổng quan 37

3.2.1 Các giao diện và điểm tham chiếu 39

3.2.2 Các phần tử trong mạng GPRS 37

3.3.Các chức năng của GPRS 41

3.3.1 Các chức năng điều khiển truy nhập mạng 41

3.3.2 Chức năng định tuyến và truyền dẫn gói 44

3.3.3 Các chức năng quản lý di động 46

3.3.4 Các chức năng quản lý kênh kết nối logic 50

3.3.5 Các chức năng quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến 50

3.3.6 Quản lý mạng 51

CHƯƠNG 4: các thủ tục trao đổi báo hiệu trong mạng GPRs 53

4.1 Giao thức GTP 53

4.2.Cấu trúc của GTP Header 54

kết luận 59

bảng tra cứu các từ viết tắt 60

tài liệu tham khảo 68

lời mở đầu

Hiện nay trên thế giới mọi mặt của đời sống xã hội đều phát triển, khôngnhững về kinh tế, khoa học tự nhiên mà còn rất nhiều lĩnh vực khác Ngànhthông tin liên lạc đợc coi là ngành mũi nhọn cần phải đi trớc một bớc, làm cơ

sở cho các ngành khác phát triển Nhu cầu trao đổi, cập nhật thông tin của conngời ở mọi nơi mọi lúc ngày càng cao Thông tin di động ra đời và phát triển

đã trở thành một loại hình dịch vụ, phơng tiện thông tin phổ biến, đáp ứngnhu cầu của cuộc sống hiện đại Các hệ thống thông tin di động đang pháttriển rất nhanh cả về qui mô, dung lợng và đặc biệt là các loại hình dịch vụmới để đáp ứng tốt hơn nhu cầu của ngời sử dụng

ở Việt Nam, mạng di động số thế hệ thứ hai (2G), sử dụng công nghệGSM, đang đợc phát triển rộng khắp các tỉnh và thành phố GSM với tốc độ9,6 kbps chỉ áp dụng đợc các dịch vụ thoại và dịch vụ bản tin ngắn, hạn chếnhiều dịch vụ phi thoại yêu cầu tốc độ cao nh hình ảnh, văn bản và đặc biệt lànhu cầu truy nhập Internet Trong khi trên thế giới, rất nhiều nớc đã tiến lênthế hệ điện thoại di động thứ ba (3G) Thế hệ thứ ba này có tốc độ truyền dẫncao hơn, cung cấp đợc nhiều loại hình dịch vụ, đáp ứng đợc nhu cầu hiện nay.Việc xây dựng, phát triển mạng điện thoại di động thứ ba ở Việt Namhiện nay là thực sự cần thiết Nhng nếu đầu t thẳng lên 3G thì cần lợng vốn bỏ

ra rất lớn mà lại lãng phí cơ sở hạ tầng mạng di động sẵn có Vì vậy, để tiếntới thế hệ thông tin di động thứ ba này cần qua một bớc trung gian gọi là thế

hệ thông tin di động 2,5G; đó là dịch vụ thông tin di động vô tuyến chuyểnmạch gói GPRS (General Packet Radio Service) Triển khai GPRS cho phépvẫn tận dụng cơ sở mạng GSM sẵn có, đồng thời có thể đáp ứng nhu cầutruyền dữ liệu tốc độ lớn, từng bớc xây dựng mạng điện thoại thế hệ thứ ba

Đó là lý do tôi chọn đề tài Tìm hiểu về mạng GPRS “ Tìm hiểu về mạng GPRS” ” cho đồ án tốt nghiệpcủa mình Hy vọng đồ án này sẽ có thể áp dụng trực tiếp vào việc phát triểnmạng điện thoại di động của Việt Nam trong điều kiện hiện tại

Đề tài gồm các nội dung:

Qua thời gian học tập, nghiên cứu; đợc sự hớng dẫn tận tình của các thầycô giáo trờng Đại học Bách khoa Hà nội Bản đồ án tốt nghiệp đến nay đãhoàn thành Do khả năng và thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi nhữngthiếu sót Rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô giáo và bạn bè đồngnghiệp để em có thể vững vàng thêm kiến thức khi ra trờng.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử – Viễnthông, bạn bè đồng nghiệp, đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tớiThầy giáo Nguyễn Việt Dũng, ngời đã tận tình chỉ bảo hớng dẫn em hoànthành đồ án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2008

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 TổNG QUAN Về THÔNG TIN DI ĐộNG

có rất nhiều khách hàng thuê bao di động nh năm 2000, ở châu Âu có trên 220triệu thuê bao di động, và trên toàn cầu có khoảng 580 triệu tại Anh cứ 2 ngờithì có một ngời s dụng máy di động, ỏ Phần Lan số lợng máy di động tínhtheo đầu ngời đã vợt quá số hộ sử dụng điện thoại cố định

Với sự phát triển nh vũ bão của thông tin di động, số lợng thuê bao tăngmạnh, nhu cầu s dụng băng thông rộng lần lợt 1G, 2G, 3G, 4G…

Sự tiến triển của truyền thông di động có thể phân chia ra hai thế hệ pháttriển Hiện nay chúng ta sắp bớc vào thế hệ thứ 3G của những hệ thống thôngtin di động nói chung từ cơ sở 1G là mũi tên chỉ đờng cho các thế hệ sau, vànhìn chung đợc xếp vào mạng quốc gia dựa trên nền tảng tơng tự Vào nhữngnăm 1980, những mạng kiểu đó đã đợc chuyển biến thành loại hình dịch vụ

Nó đợc thiết kế để truyền tải giọng nói

Những hệ thống thế hệ thứ 2G đợc xếp vào loại công nghệ kỹ thuật số đợc

sự ủng hộ của những công ớc quốc tế chung, tạo đà cho khả năng vận hànhmột chiếc máy điện thoại di động vợt khỏi biên giới một quốc gia Bên cạnhtruyền hình tín hiệu thoại hệ thống này còn có khả năng đáp ứng một số dịch

vụ khác với tốc độ truyền dữ liệu thấp

Một số loại hình dịch vụ nh: mobile fax (chuyển phách di động), gửi thdọng nói, short massage service – SMS (dịch vụ gửi tin nhắn nhanh) (theo[PEE-00]) Cũng trong giai đoạn này những hệ thống mới phục vụ cho nhữngthị hiếu riêng biệt: thờng là những mạng di động cho công cộng, vệ tinh, vàmạng cô tuyến cục bộ (W-LAN) Hệ thống của thế hệ thứ 2G đồng nghĩa vớiviệc toàn cầu hóa các hệ thống di động Trong việc nhận ra tầm quan trọngcủa Internet và đồng thời là bớc tiến tiếp tới ngỡng cửa của công nghệ 3G,giai đoạn cuối của công nghệ thứ 2 đã cho ra đời những dịch vụ đa phơng tiện

di động

Trong một vài năm tới ngời ta hy vọng rằng những ngời sử dụng di động sẽ

có xu hớng truy cập vào các dịch vụ đa phơng tiên băng rộng, ví nh những gì

di động vùng bắc Âu (NMT), hệ thống truyền thông truy nhập tổng thể

Cuối những năm 70 tại Hoa Kỳ nhóm Bell Labs đã thực hiện hệ thốngtruyền thông AMPS (theo BEL-79) Hệ thống này mở dịch vụ chào hàng vàonăm 1983 bởi công ty AT và T hệ thống hoạt động trên băng tần 800 MHz,

cụ thể 824-849 MHz từ mobile đến BS và 869-894 MHz từ BS đến mobile.Những giải tần này cung cấp đợc 832 kênh Những kênh này đợc chia đềugiũa hai nhà vận hành ở mỗi vùng địa lý khác nhau Trong 832 kênh này 42kênh chỉ mang thông tin về hệ thống hệ thống AMPS tạo một khoảng táchkênh là 30kHz, sử dụng điều chế FM với độ dịch tần lớn nhất cho tín hiệuthoại Báo hiệu giữa mobile va BS thực hiện với tốc độ 10bit/s sử dụng mã hóaManchesrer Các tín hiệu đợc điều chế FSK với tốc độ dịch tần 8kHz Hệ±8kHz Hệthống AMPS phân biệt 6 kênh logic một chiều cho truyền dẫn tín hiệu giữanhững ngời sử dụng và thông tin báo hiệu TCH nghịch và TCH thuận đợcdành riêng cho truyền dẫn dữ liệu ngời sử dụng dựa trên cơ sở truyền tay đôi.Thông tin báo hiệu đợc dẫn tới BS trên kênh điều khiển nghịch (RECC) vàkênh thoại nghịch (RVC) và đợc dẫn tới mobile bằng việc sử dụng các kênh

điều khiển thuận (FOCC) và kênh thoại thuận (FVC) Các kênh điều khiểnthuận và nghịch đợc sử dụng riêng cho thông tin điều kiển mạng và có thểhiểu là các kênh điều khiển chung Để giữ an toàn cho các kênh điều khiểnkhỏi hiệu ứng của kênh mobile, thông tin đợc bảo vệ nhờ việc sử dụng của cáccặp nối móc vào nhau của các bộ mã chặn Để bảo vệ hơn nữa thông tin này,một bộ mã nằm trong sử dụng nhiều phép lặp Việc xác định BS đã đợc gáncho cuộc gọi, AMPS sử dụng một giọng âm thanh kiểm soát (SAT) Giọng âmthanh này có thể là một trong ba loại tần (5970,6000, và 6030 Hz) Tại giai

đoạn thiết lập cuộc gọi, một thiết bị kết cuối mobile đợc thông báo về SAT tại

BS mà nó thực hiện liên lạc Trong suốt quá trình liên lạc thiết bị kết cuốimobile hay BS tín hiệu này sẽ bị ngắt ngay, bởi vì việc này dễ gây ra việc thunhận phải một nguồn xuyên nhiễu

Giống nh NMT450, chuẩn AMPS đã liên tục phát triển và duy trì là mộttrong những hệ thống đợc sử dụng nhiều nhất thế giới Cho dù thị trờng khôngvơn tới đợc châu Âu, nhng chuẩn AMPS đã khẳng định đợc u điểm nổi trộicủa mình tại châu Mỹ và châu á.

b Hệ thống thứ nhất 2G

Sự khác biệt nổi bật giữa hệ thống 1G và hệ thống 2G đó là hệ thống 2G đ

-ợc xây dựng trên nền tảng công nghệ kỹ thuật số (digital)

Hệ thống truyền thông tin di động toàn cầu (GSM):

Theo đề nghị của hãng Nordic Telecom (viễn thông bắc âu) và NêthrlandsPTT, nhóm nghiên cứu Group Special Mobil (GMS) đã đợc hình thành năm

1982 bởi CEPT Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là tìm ra một hệ thống mobile

đã tập chung vào nhu cầu thiết lập thêm nhiều dịch vụ kỹ thuật số thế hệ thứ 2

có lợi thế hơn về quang phổ, cung cấp một số u điểm quan trọng bao gồm sứckháng nhiễu lớn hơn, an ninh gia tăng và khả năng cung cấp hàng loạt cácdịch vụ khác Không giống sự trởng thành của AMPS Bắc Mỹ, việc thiết lậpGSM kéo theo một quá độ cải cách tới vấn đề thiết kế và thiết lập

c Hệ thống thứ nhất 3G

Hiện nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng viễn thông vềcả dịch vụ viễn thông mới các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệthứ 3G Và hiện nay đã có hai tiêu chuẩn đã đợc chấp thuận cho IMT-2000 đó

là W-CDMA và CDMA2000 W-CDMA đợc phát triển lên từ GMS thế hệ 2G

và CDMA 2000 đợc phát triển nên từ I-95 thế hệ thứ 2 ở các thế hệ này các

hệ thống thông tin di động có xu thế hòa nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất

và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit kênh đến 2Mbit/s Để phân biệt với cácthông tin di động băng hẹp hiện nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

d Hệ thống thứ nhất 4G

Cùng với sự phát triển của chuẩn hóa hệ thống 3G, giờ đây xu thế của hệthống thông tin di động là 4G Sự ảnh hởng của internet có ý nghĩa quan trọngtrong 4G, khi các nhà vận hành mạng tiến tới một môi trờng IP toàn bộ Trênphuơng tiện này di sản từ các công nghệ 2G và các giải pháp giao diện sóngradio sẽ gọn nhẹ hơn, mặc dù không đi xa đến tầ à 1G đã ảnh hởng tới 3G.Khi công nghệ ngày càng tiến bộ, khả năng phân phối ngày càng tỏ ra nhanhhơn, các dịch vụ băng rộng với một QoS cao là những yêu cầu tiềm ẩn củanhững công nghệ tiếp theo Khi 3G thực sự chứng tỏ mang lại sự hội tụ củacác công nghệ mobile và internet, 4G sẽ báo trớc sự hội tụ của các công nghệ

cố định, quảng bá và di động UMTS với hình ảnh số (DVB) và quảng bá âmthanh số (DAB) là một lĩnh vực cho sự phân tích tiếp theo Một giải pháp nhvậy có thể cho phép cho truyền hình chất lợng cao có thể phát thẳng tới ngời

sử dụng mobile Đó là môi trờng tế bào, vô tuyến điện, wLL, và vệ tinh sẽ kếthợp để tạo ra những khả năng mới cho viễn thông

1.2 Các phơng pháp đa truy nhập trong thông tin di động

1.2.1 Giới thiệu chung

Một phơng pháp là tăng dung lợng của thông tin vô tuyến ngời ta sử dụng

kỹ thuật ghép kênh Hiện nay có rất nhiều loại ghép kênh, nhng thông dụngnhất là 3 hình thức sau:

 FDMA ( Frequency Division Multiple Access) đa truy nhập phân chiatheo tần số

 TDMA ( Time Division Multiple Access) đa truy nhập phân chia theothời gian

 CDMA ( Code Division Multiple Access) đa truy nhập phân chia theo mã

Cụ thể các hình thức ghép kênh nh sau:

a

Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA):

Hệ thống FDMA điển hình là AMPS (Advanced Mobile Phone Service) làmột hệ thống điện thoại di động tổ ong do AT & T và Motorola -Mỹ đề xuất

sử dụng vào năm 1982

Để sử dụng hiệu quả nguồn tần số có giới hạn nên vùng phục vụ rộngcủa nó đợc phân chia thành các ô nhỏ và dịch vụ cung cấp sử dụng một tần sốnhất định với một công suất nhỏ để cho phép các BS ở cách xa một khoảngcách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó một cách đồng nhất Sau

đó, ngời ta coi vùng phục vụ tơng ứng nh một hình lục giác để làm đơn giảnhoá việc thiết kế và tính toán lý thuyết về mạng điện thoại di động

Tái sử dụng tần số liên quan đến việc định vị các BS để tái sử dụng các tần

số chính xác, không phải sử dụng cùng một tần số giữa các BS kề nhau mà chỉ sửdụng lại ở một khoảng cách nhất định hoặc xa hơn nhằm làm giảm giao thoagiữa các kênh giống nhau Hình 1.3 chỉ ra các mẫu tái sử dụng tần số khác nhau

Hình 1.1 Mẫu tái sử dụng tần số.

Trên hình 1.1 ta thấy các cụm mẫu tái sử dụng tần số của các BS với tấtcả các băng tần có thể, số lợng các ô trong cụm đó đợc gọi là yếu tố tái sửdụng tần số K

Trong trờng hợp này thì hiệu quả tái sử dụng tần số tăng lên nếu một anten

định hớng đợc sử dụng tại BS vì giao thoa tần số chỉ ảnh hởng đến các BS sửdụng cùng một kênh trong anten phát xạ định hớng và vì vậy mà giao thoa củacác kênh chính tăng (Thông thờng sử dụng vùng phủ sóng 1200)

Khi xuất hiện trạng thái chuyển vùng thì tín hiệu đã đợc nối với BS cókhả năng thu nhận tín hiệu tốt Trong trạng thái chuyển vùng thì kênh bị ngắttrong một khoảng thời gian ngắn (150 ms) và chuyển vùng sẽ bị trì hoãn hoặc

bị cản trở trong trờng hợp không có kênh trong ô mới

Hình 1.2 Búp sóng của anten định hớng.

Dịch vụ chuyển vùng ngoài hệ thống thờng có thể đợc cung cấp trong một vùng phục vụ khác, do một hệ thống khác điều khiển mà thuê bao nói đếnkhông đăng ký

-Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lợng thấp

-Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trongmôi trờng pha đinh đa tia

-Không đáp ứng các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng, không chophép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng

-Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi, không tơng thích giữa các

hệ thống khác nhau, đặc biệt ở Châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng

đợc máy di động của mình ở nớc khác

b

Lý thuyết về CDMA đã đợc xây dựng từ những năm 1950 và đợc áp dụngtrong thông tin quân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của côngnghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã đợc th-

ơng mại hoá từ phơng pháp thu GSP và Ommi-TRACS, phơng pháp này cũng

đã đợc đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm-Mỹ vào năm 1990

Trong thông tin CDMA thì nhiều ngời sử dụng chung thời gian và tần

số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tơng quan chéo thấp đợc ấn định chomỗi ngời sử dụng Ngời sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có

sử dụng mã PN đã ấn định Đầu thu tạo ra một bộ dãy giả ngẫu nhiên nh ở đầuphát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngợc (nén phổ) các tínhiệu đồng bộ thu đợc

Mỗi MS đợc gán một mã riêng biệt và kỹ thuật trải phổ tín hiệu giúp chocác MS không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng một lúc dùngchung dải tần số

 Đặc điểm:

Dải tần tín hiệu rộng hàng trăm MHz sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.

Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cờng độ trờng rất nhỏ

và chống pha đinh hiệu quả hơn FDMA, TDMA.Việc các thuê bao MS dùngchung tần số khiến cho các thiết bị truyền dẫn đơn giản, việc thay đổi kếhoạch tần số không còn là vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiểndung lợng trong Cell rất linh hoạt

 Ưu điểm:

Dung lợng lớn hơn, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đờng tốt hơn,

chuyển vùng linh hoạt hơn Hệ số tái sử dụng bằng 1 nên không cần quan tâm

đến vấn đề nhiễu đồng kênh Dung lợng của CDMA có khả năng thay đổi một cách linh hoạt và diện tích phủ sóng cũng linh hoạt hơn, khả năng bảo mật cao

 Nhợc điểm:

-Điều chỉnh công suất ở hệ thống CDMA là bắt buộc và điều chỉnh công

suất phải nhanh nếu không dung lợng của hệ thống sẽ bị giảm

-Nhiễu giao thoa đồng kênh là một trở ngại ở các mạng CDMA.

-Qúa trình quá ngỡng, tỉ lệ lỗi khung có thể vợt quá giới hạn mong muốn Tuy

đây không phải là tình trạng thảm hoạ, nhng có thể dẫn đến giảm cấp phục vụ

30 KHz

Trong thông tin TDMA thì nhiều ngời sử dụng một sóng mang và trục thời gian đợc chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để giành cho nhiều ngời sử dụng sao cho không có sự chồng chéo

TDMA đợc chia thành TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp Mỹ vàNhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhngcả 2 hệ thống này đều có thể đợc coi nh là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vìngời sử dụng thực tế dùng các kênh đợc ấn định cả về tần số và các khe thờigian trong băng tần

Ngời sử dụng 1 Ngời sử dụng 2 Ngời sử dụng 3

Khe

thời gian

1

Khethời gian

2

Khethời gian

3

Khethời gian

4

Khethời gian

5

Khe thờigian

 Ưu điểm:

- Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dich vụ liên quan đến truyền sốliệu nh nén số liệu của ngời sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao(HSCSD: High Speed Circuit Switched Data), dịch vụ vô tuyến gói chung(GPRS: General Packet Radio Serice) và số liệu 14,4 kbps

-Các tính năng liên quan đến dịch vụ tiếng nh: Codec tiếng toàn tốc tăngcờng (EFC: Enhanced Full Rate Codec), Codec đa tốc độ thích ứng và khaithác tự do đầu cuối các Codec tiếng

-Các dịch vụ bổ xung nh: Chuyển hớng cuộc gọi, hiện tên chủ gọi,chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới

-Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn (SMS: Short MessageService) nh: Móc nối các SMS, mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tơng tác giữacác SMS

-Các công việc liên quan đến tính cớc nh: Các dịch vụ trả tiền thoại trớc,tính cớc nóng và hỗ trợ cho u tiên vùng gia đình

-Tăng cờng công nghệ SIM

-Dịch vụ mạng thông minh nh CAMEL

-Các cải thiện chung nh: Chuyển mạng GSM-AMPS, các dịch vụ định vị,

t-ơng tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối u

 Nhợc điểm:

-Phải quản lý tần số vì nó kiểm soát nhiễu kênh động

-Số ngời dùng phụ thuộc vào khe thời gian, dung lợng kênh bị giảm -Phải có giới hạn rõ ràng về số ngời sử dụng

-Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS số TDMA phải có khảnăng xử lý hơn 50x106 lệnh/s

1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống CDMA

Hệ thống CDMA hoạt động dựa trên nền tảng của kỹ thuật trải phổ mỗi tínhiệun thoại băng hẹp sẽ đợc trải phổ thành băng rộng thông qua điều chế vớimột mã độc lập duy nhất và đợc truyền đi Trên đờng truyền sẽ bị nhiễm tác

động khác vá các nguồn ngoài, tai đầu thu tín hiệu thu đợc sau khi qua bộ

t-ơng quan thì chỉ có tín hiệu phù hợp với mã trải phổ là đợc tái tạo hoàn toàncòn các thành phần khác sẽ bị nén về mặt công suất và trở thành tạp âm vớimức thấp

Nguyên lý xây dựng CDMA xuất phát từ lý thuyết Shannon nh sau:

Dung lợng của hệ thống thông tin có thể tính theo công thức:

C = W log2 ( 1+S/N )

= 1,44 ln ( 1+S/N )

Do đó, nếu đảm bảo tỷ số S/N thích hợp với tốc độ băng phủ đủ lớn thìdung lợng của hệ thống sẽ tăng rất lớn

Ngyên lý hoạt động của hệ thống CDMA đợc trình bày trên hình 2.4

Hoạt động của hệ thống có thể khái quát nh sau:

- ở đầu phát:

Tín hiệu thoại băng hẹp (9,6 Kb/s) đợc mã hoá độc, lặp, chèn và đợc nhânvới sóng mang và mã trải phổ độc lập PN để trở thành tín hiệu điều chế băngrộng có tốc độ 1,2288 Mb/s (9,6Kb/s 128) Tín hiệu này đi qua một bộ lọcbăng thông có độ rộng băng 1.25 MHz, sau đó đợc bức xạ qua anten để truyền

đi Trên đờng truyền, tín hiệu sẽ bị nhiễu bởi tác động từ tất cả các máy di

động khác hoạt động trong cùng một băng tần

- ở đầu thu:

Tín hiệu thu đợc từ anten đợc đa đến bộ tơng quan để điều chế với sóngmang và mã PN giống nh ở đầu phát (mã PN giả tạp âm có tốc độ1,2288Mb/s) và qua bộ lọc băng thông độ rộng băng 1,25MHz thì tín hiệu

thoại mong muốn đợc tách ra để tái tạo phù hợp với mã trải phổ sẽ bị nén vềcông suất và trở thành tạp âm trắng với mức thấp.

Trong quá trình truyền, nhiều loại nhiễu tác động vào tín hiệu nhng nhờquá trình nén trải phổ tại đầu thu mà những nhiễu này bị biến thành tạp âm vớimức thấp

N khe thời gian

N>>1, tất cả N ngời sử dụng đều đợc truyền đi trên cùng băng tần và cùng thời gian

Truyền dẫn Liên tục, lập

tức cả chiều đi

và về

Truyền theo từngcụm (không liên tục)hớng phát và hớngthu ở các khe thời

Liên tục, đồng thời cảchiều đi và về

gian khác nhau

Độ rộng băng

tần

Băng hẹp, ảnhhởng fadinh

Độ rộng băng tầnphụ thuộc vào số khethời gian sử dụng

Băng rộng, giảm ảnh ởng fadinh băng hẹp,cung cấp kỹ thuật phântập theo tần sốCác kênh sủ

Nhỏ, yêu cầu kênh Pilot

để cho mục đích dò tìm

Khả năng

chuyển vùng

Không thể thựchiện đợc

Dễ dàng, nhng cuộcgọi ngắt trớc khi nối

Dễ dàng sử dụng phơngthức chuyển vùng mềm

ảnh hởng của

nhiễu băng

hẹp

Có khả nănggiảm ảnh hởngcủa nhiễu bănghẹp

Có khả năng giảm

ảnh hởng của nhiễubăng hẹp

Làm yếu ảnh hởng củanhiễu băng hẹp nhờ kỹthuật trải phổ

Điều khiển côngsuất chậm

Đòi hỏi điều khiển côngsuất nhanh thì hệ thốngmới có thể hoạt động ởmức nhiễu chấp nhận đợcKhả năng đáp

ứng các dịch

vụ mới

Dung lơngtruyền dẫn có thểtăng nhờ liên kếtnhiều kênh tần sốvới nhau

Dung lợng truyềndẫn có thể tăng nhờliên kết nhiều khethời gian với nhau

Có thể cung cấp nhiềucác dịch vụ khác nhau vớicác tốc độ bit khác nhau

H×nh 1.5 So s¸nh vÒ tÇn sè, thêi gian vµ cÊu h×nh thu ph¸t cña FDMA,

TDMA,CDMA

 Tóm lại khi sử dụng công nghệ CDMA ta có thể thấy rõ một số điểmnổi bật sau:

- Có khả năng phát hiện và sửa lỗi cao do đó tăng khả năng chất lợng thoại

- Có khả năng chống lại tác động của nhiễu, ít ảnh hởng bởi nhiễu bănghẹp, fedinh và khả năng thu tín hiệu từ nhiều đờng khác nhau

- chuyển giao mềm làm cho chất lợng thoai tại các vùng chuyển tiếp giữahai tế bào (Ô) tăng lên

- Điều khiển công suất nghiêm ngặt làm cho chất lợng thoại ổn định trongmọi môi trờng làm việc

- Hệ thống CDMA rất linh hoạt trong việc phát triển và quy hoạch mạng

- Có khả năng cung cấp các dịch vụ mới trong tơng lai

H×nh 1.6 KÕt hîp 3 d¹ng truy nhËp c¬ së thµnh c¸c d¹ng ®a truy nhËp lai

ghÐp

CHƯƠNG 2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động GSM

2.1 Cấu trúc hệ thống

Hệ thống thông tin di động GSM đợc phân chia thành các phân hệ nh ởhình 2.1 Các phân hệ đó là:

 Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem)

 Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)

 Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS (Operation and Support System)

 Máy di động MS (Mobile Station)

ISDN : Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ

PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng

Hình 2.1 Mô hình hệ thống thông tin di động

 Phân hệ chuyển mạch NSS bao gồm các khối chức năng:

- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile SwitchingCenter)

- Bộ ghi định vị thờng trú HLR (Home Location Register)

BTS

- 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 MobileSwitching Center)

 Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm các khối chức năng:

- 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 bao gồm các khối chức năng:

- Trung tâm quản lý mạng NMC (Network ManagementCenter)

- Trung tâm quản lý và bảo dỡng OMC (Operation &Maintenance Center)

 Trạm di động MS:

- Thiết bị di động ME (Mobile Equipment)

- Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module)

 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC

MSC là một tổng đài thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch và báohiệu 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 thuêbao và MSC phải thực hiện thêm ít nhất hai thủ tục: Thủ tục đăng ký và Thủtục 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 đợc gọi là MSC cổng (GMSC),

có chức năng tơng tác IWF (InterWorking Function) để thích ứng các đặc

điểm truyền dẫn của GMS và các mạng ngoài Phân hệ chuyển mạch giao tiếpvới mạng ngoài để sử dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc

truyền tải số liệu của ngời sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạngGSM.

MSC thờng là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số bộ điều khiểntrạm gốc BSC

 Bộ ghi định vị thờng trú HLR

HLR là một cơ sở dữ liệu quan trọng trong mạng có chức năng quản lýthuê bao Một PLMN có thể có một hoặc nhiều HLR phụ thuộc vào lợng thuêbao HLR không có khả năng chuyển mạch nhng có khả năng quản lý hàngngàn thuê bao Khi mạng có thêm một thuê bao mới, thì các thông tin về thuêbao sẽ đợc đăng ký trong HLR

Các thông tin cần để thiết lập và nhận một cuộc gọi của MS đợc lu trong cơ

sở dữ liệu của VLR Đối với một số dịch vụ hỗ trợ, VLR có thể truy vấn cácthông tin từ HLR: IMSI (nhận dạng máy di động quốc tế), MSISDN (ISDNcủa máy di động), số chuyển vùng của thuê bao MS (MSRN), số nhận dạngthuê 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 gáncho mỗi MS và đợc nhận từ VLR

 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR

Thực thể chức năng này chứa một hoặc nhiều cơ sở dữ liệu lu trữ cácIMEI (số nhận dạng thiết bị) sử dụng trong hệ thống GSM EIR đợc nối vớiMSC qua một đờng báo hiệu, nhờ vậy MSC có thể kiểm tra sự hợp lệ của thiếtbị

 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ cổng GMSC

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 củathuê 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 tơng tác với cácphần tử khác của hệ thống chuyển mạch.

2.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS

BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS thông qua giao diện vôtuyến Vì thế nó bao gồm các thiệt bị thu phát, thu vô tuyến và quản lý cácchức năng này BSS thực hiện kết nối các MS với các tổng đài, do đó liên kếtngời sử dụng máy di động với những ngời sử dụng dịch vụ viễn thông khác.BSS cũng phải đợc điều khiển nên đợc kết nối với OSS

 Trạm thu phát gốc BTS

Một BTS bao gồm các thiết bị thu phát, angten và sử lý tín hiệu đặc thù chogiao diện vô tuyến Có thể coi BTS là các modem vô tuyến phức tạp có thêmmột số chức năng khác một bộ phận quan trọng của BTS làTRAU(Transcoder and Rate Adapter Unit:khối chuyển đơi mã thích ứng tốc

độ) TRAU là thiết bị mà ở đó, quá trình mã hóa và giải mã tiếng đặc thù riêngcho GSM đợc tiến hành, ơ đây cũng thực hiên thích ứng tốc độ trong việctruyền số liệu TRAU là một bộ phân của BTS, nhng nó có thể dặt xa BTS vàthậm chí trong nhiều trờng hợp nó có thể đặt giữa BSC và MSC

 Bộ điều khiển trạm gốc BSC

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điềukhiển từ xa BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóngkênh vô tuyến và quản lý chuyển giao Một phía BSC đợc nối với BTS, cònphìa kia nối vời MSC của SS Trong thực tế, BSC là một tổng đài thu nhỏ cókhả năng tính toán đáng kể Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh vàgiao diện vô tuyến và chuyển giao Một BSC co thể quản lý nhiều BTS Số l-ợng BTS mà BSC có thể quản lý phụ thuộc vào lu lợng của BTS

- Giám sát các trạng thái các bộ phận của mạng

- Giám sát trung tâm bảo dỡng và khai thác OMC của các vùng và cungcấp 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 phậntrong 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 lợng, quản lý cấu hình và quản lý bảomật

2.2.4 Trạm di động MS

MS là thiết bị đầu cuối chứa các chức năng vô tuyến chung, xử lý giao diệnvô tuyến và cung cấp các giao diện với ngời dùng (màn hình, loa, bàn phím ).Hoặn giao diện với một số thiết bị khác nh máy tính cá nhân, fax

2.3 Mạng báo hiệu

2.3.1 Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM

Mạng thông tin di động GSM sử dụng hệ thống báo hiệu số 7 (báo hiệukênh chung) để thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi Báo hiệu số 7 làmạng dữ liệu chuyển mạch gói đợc thiết kế để trao đổi báo hiệu

B S S M A P ( p a r t o f B S S A P )

a Gửi các thông tin của mạng và cell Thông tin đợc cập nhật từ BSC, truyềnliên tục tới BTS và lu trong BTS.

b Nhắn tin: đợc khởi tạo từ MSC cho phép BSC hoạt động thông quaBSSMAP BSC lần lợt cho phép các BST trong một vùng định vị hoạt động CácBTS gửi các cuộc gọi nhắn, kiểm tra tín hiệu trả lời và gửi thông báo tới BSC.BTS cũng nhận các cuộc gọi từ MS và gửi tới BSC

c Cung cấp và giải phóng kênh điều khiển (SDCCH) BSC thực hiện cácchức năng này, BTS sẽ xử lý trao đổi các thông tin tới /từ MS

d Cung cấp và giải phóng kênh lu lợng (TCH) để thiết lập, xoá và chuyểngiao BSC thực hiện các chức năng này và BTS xử lý các khối kênh liên quan

e Nhận định hoàn thành việc chuyển giao BTS báo với BSC khi nó đã pháthiện có tín hiệu của MS trên kênh lu lợng mới

f Điều khiển mã/giải mã BTS thực hiện chức năng kích hoạt và giải phóngviệc mã hoá theo yêu cầu của BSC

g Điều khiển các mã thoại và thích ứng tốc độ của các kênh thông tin Thiết

bị thích ứng tốc độ mã hoá - TRAU thờng đợc đặt trong BSC nhng đợc điềukhiển bởi BTS xác định các kênh lu lợng

h Kiểm tra chất lợng truyền dẫn và độ dài tín hiệu trong các kênh hớng lên

đang hoạt động và ở chế độ idle (rỗi) Kiểm tra đợc thực hiện ở BTS và đợc thôngbáo tới BSC

i Giao diện vô tuyến cũng bao gồm các chức năng đợc tự động xử lý bởiBTS

j Thông tin đồng bộ và số nhận dạng MS đợc gửi liên tục tới BTS

k Chức năng điều khiển tần số đợc xử lý bởi BTS, các tín hiệu điều khiểnnày đợc gửi liên tục từ BTS

Giao diện vô tuyến cũng có các chức năng: mã hoá kênh, ghép kênh, quản lýburst, 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

a Các bản tin DTAP trao đổi giữa MSC và MS để đăng ký và nhận thực khi

MS tắt Các bản tin TDAP đợc chuyển qua BSC và BTS

b Các bản tin khởi tạo MS (IMSI) đợc truyền giữa MSC và MS để cập nhật

vị trí và nhắn tin

c BSSMAP là giao thức đợc sử dụng giữa MSC và BSC để nhắn tin, thựchiện cuộc gọi, chuyển giao, cung cấp, duy trì các kênh lu lợng và để mã hoátrong BTS, MS Giao thức này cũng đợc dùng để duy trì các khe thời gian trêncác 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 đợc sử dụng báo hiệu

chuyển giao trong khi ISUP đợc sử dụng để thiết lập và xoá các kết nối

Các giao thức giữa GMSC và MSC

ISUP đợc sử dụng giống nh trong PSTN/ISDN.

Các giao thức giữa MSC và HLR, VLR, AuC và EIR

MAP đợc sử dụng cho tất cả các báo hiệu Nó hỗ trợ đăng ký, báo hiệu các sốroaming, 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

2.3.2 Các giao diện trong hệ thống GSM

Hình 2.3 là giao diện GSM Bao gồm : Abis, A, B, C, D, Um, E, F, G, H

2.4 Giao diện vô tuyến

Giao diện vô tuyến là tên gọi chung của đấu nối giữa MS và BTS Giaodiện sử dụng khái niệm TDMA với một khung TDMA cho một tần số mang.Một khung, gồm 8 khe thời gian (Time Slot - TS)

2.4.1 Khái niệm về các kênh vô tuyến :

Mạng GSM/PLMN đợc dành 124 kênh sóng mang, sóng này ở dải tần:

- Đờng lên ( MS - BTS ) : 890 - 915 MHz

- Đờng xuống ( BTS - MS ) : 935 - 960 MHz

Băng tần đờng lên 890,2 – 914,8 MHz và đờng xuống 935,2 – 959,8MHz Mỗi tần số sóng mang cách nhau 200 KHz, trên mỗi sóng mang thựchiện ghép kênh theo thời gian, thực hiện ghép khung TDMA ta có số kênhbằng: 124 x 8 (TS) = 992 kênh

Hình 2.4 Tổ chức khung, đa khung

Kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tảithông tin ở đờng vô tuyến của GSM Mỗi một kênh tần số vô tuyến đợc tổchức thành các khung TDMA dài 4,615 ms gồm có 8 khe thời gian (một khe

dài 577 s) Tại BTS, các khung TDMA ở các kênh tần số ở cả đờng lên và ờng xuống đều đợc đồng bộ, mỗi MS đợc cấp một khe thời gian có cùng sốthứ tự ở hớng lên hay hớng xuống để truyền bán song công.

đ-Về mặt thời gian, các kênh vật lý ở một kênh tần số đợc tổ chức theo cấutrúc khung, đa khung, siêu đa khung, siêu siêu khung nh hình vẽ:

b Kênh logic:

Các kênh logic mang các thông tin điều khiển, báo hiệu giữa BTS và

MS Các kênh logic này đợc đặt vào các kênh vật lý nói trên Có thể chia cáckênh logic này gồm hai loại kênh: Các kênh lu lợng (TCH) và các kênh báohiệu điều khiển

là thông tin hệ thống, BCCH chỉ đợc sử dụng cho đờng xuống

- Các kênh điều khiển chung CCCH ( Common Control Channel) gồm:

Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel) sử dụng cho đờng xuống để tìm gọimáy di động

Kênh thâm nhập ngẫu nhiên RACH ( Random Access Channel) đợc MSdùng để yêu cầu cung cấp một kênh dành riêng SDCCH

Kênh cho phép thâm nhập AGCH ( Access Grant Channel) chỉ đợc sử dụng

ở đờng xuống để chỉ định một kênh SDCCH cho MS

- Các kênh điều khiển dành riêng DCCH (Dedicated Control Channel) gồm:

Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH (Stand Alone DCCH)chỉ đợc sử dụng dành riêng cho báo hiệu với một MS

Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Associcated ControlChannel) liên kết với một TCH hay một SDCCH

Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (Fast Associcated ControlChannel) liên kết với một TCH FACCH làm việc ở chế độ lấy lén bằng cáchthay đổi lu lợng tiếng hay số liệu bằng báo hiệu.

Kênh quảng bá CBCH (Cellular Broadcast Channel): Chỉ đợc dùng đờngxuống để phát quảng bá các bản tin ngắn (SMSCB) cho các tế bào CBCH sửdụng cùng kênh vật lý nh kênh SDCCH

Chơng 3 mạng GPrs

3.1.Giới thiệu

Cùng với dịch vụ thoại truyền thống đợc đa vào khai thác trên mạng GSM

đầu những năm 80, trong thời gian từ đó đến nay, các nhà khai thác cũng nhngời sử dụng đều nhận thấy các dịch vụ chuyển mạch kênh hiện nay trên thực

tế không hoàn toàn phù hợp với một số những ứng dụng Các dịch vụ số liệu

đã ra đời và từng bớc đa ra áp dụng cho hệ thống GSM Đó là hai dịch vụ:

- Dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD

- Dịch vụ số liệu chuyển mạch gói GPRS

Dịch vụ HSCSD truyền số liệu vẫn dựa trên nguyên tắc chuyển mạch kênhcủa hệ thống GSM hiện nay, chỉ nâng cấp thêm một số phần mềm mới vàhoàn toàn không có thay đổi lớn nào về thiết bị phần cứng