các biện pháp kỹ thuật hỗ trợ mạng gsm theo chuẩn 3g (gsm→wcdma)

Mức điện trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo khoảng cách, do công suất của tín hiệu trên một diện tích của mặt cầu sóng tới giảm dần theo khoảng cách giữa anten phát và anten thu,

1.2 Cấu trúc mạng và chức năng của các thành phần chính trong mạng GSM.7

1.2.2 Chức năng của các thành phần chính trong mạng 81.2.3 Mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCSN7) 101.3 Các kỹ thuật chính sử dụng trong mạng GSM 15

1.4 Cấu trúc kênh và cấu trúc khung tin trong mạng GSM 20

2.2 Cấu trúc mạng và chức năng của các thành phần chính trong

2.3.1 Kênh điều khiển phát quảng bá kiểu gói PBCCH 432.3.2 Các kênh điều khiển chung kiểu gói PCCCHs 432.3.3 Các kênh điều khiển riêng biệt kiểu gói PDCCHs 44

2.4 Các kỹ thuật chính sử dụng trong mạng GPRS hỗ trợ mạng GSM 44

2.5 Giải pháp thiết bị mạng lõi GPRS của hai nhà cung cấp lớn trên thế giới 50

3.2 Cấu trúc mạng và chức năng của các thành phần chính

3.3 Các kỹ thuật chính sử dụng trong mạng EDGE hỗ trợ mạng GSM 56

3.4 Một số giải pháp kỹ thuật cho mạng EDGE của Nokia 60

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay trong thời đại công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, thời kỳ nền kinh tế hàng hóa mở cửa thì thông tin nhanh và chính xác là một trong những nhu cầu cấp bách và cần thiết đối với mỗi con người Do vậy nhu cầu sử dụng điện thoại

đã tăng lên rất nhanh Đặc biệt là nhu cầu sử dụng điện thoại di động, là phương tiện không thể thiếu trong thời đại kinh tế năng động Để đảm bảo chất lượng các dịch vụ và nhu cầu của xã hội thì các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông không ngừng nâng cấp mạng Do đó để tiến tới công nghệ thông tin di động thứ ba (3G) thì các nhà khai thác GSM ở Việt Nam cũng như trên thế giới đều mong muốn giữ lại mạng lõi của mình trong khi tiến hành nâng cấp mạng, vẫn duy trì được các dịch vụ đang cung cấp hiện thời Vấn đề cân nhắc chính là các khía cạnh kinh tế và kỹ thuật cho việc nâng cấp, điều đó buộc các nhà khai thác GSM phải suy tính và lựa chọn Chính vì vậy các nhà khai thác GSM đã lựa chọn tiến hành nâng cấp mạng theo con đường GSM → GPRS → EDGE → WCDMA

Thực tế các nhà khai thác GSM trên thế giới đã tiến hành nâng cấp thành công theo con đường đó Còn ở Việt Nam thì các mạng GSM đang chờ quyết định của Chính Phủ cấp giấy phép nâng cấp lên mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)

Dựa vào tình hình thực tế đó cho nên Em đã chọn đề tài tốt nghiệp là: “Các biện pháp kỹ thuật hỗ trợ mạng GSM theo chuẩn 3G (GSM→WCDMA)” Đề tài

gồm có 3 chương sau:

- Chương I Tổng quan về hệ thống thông tin di động GSM

- Chương II Hệ thống GPRS hỗ trợ mạng GSM

- Chương III Hệ thống EDGE hỗ trợ mạng GSM

Sau một thời gian nung nấu và nghiên cứu luận văn Em đã chọn được đề tài và

đã hoàn thành Do nhiều yếu tố khó khăn hợp thành lên đề tài không khỏi không tránh được những thiếu sót, Em rất mong được sự đóng góp của các thầy và các bạn

để Em rút ra được bài học, bổ sung vào kinh nghiệm trong công việc cũng như trong cuộc sống

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Giáo Th.S Bùi Đình Thịnh đã nhiệt tình hướng dẫn Em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp, các Thầy Cô trong bộ môn, Anh Th.S Nguyễn Như Thông, các Anh Chị trong Công Ty Viettel Telecom

và các bạn trong lớp đã giúp đỡ Em hoàn thành đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương I.

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM.

1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone New Jersy thiết lập được một hệ thống điện thoại di động tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới Các thiết bị thời đó

sử dụng rất cồng kềnh, nặng, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do sử dụng đèn điện tử, chất lượng mạng di động kém Tần số sóng vô tuyến sử dụng trong dải thấp của băng VHF lên chỉ có thể liên lạc được trong khoảng cách vài chục dặm Tuy vậy thời đó quân đội đã ứng dụng nó một cách rất hiệu quả trong quá trình triển khai và chiến đấu và trong đời sống như: Cảnh sát, cứu thương, cứu hỏa, hàng hải, hàng không

Đến năm 1947 Bell Laboratories đã có thai nghén về

Đ

ý đồ một mạng di động

tế bào Nhưng công nghệ điện tử thời đó chưa phát triển lắm lên mãi đến năm 1981 thì hệ thống vô tuyến di động tế bào đầu tiên ở Châu Âu được lắp đặt đầu tiên ở khu vực bán đảo Scan-đi-na-vơ, thoạt đầu chỉ dùng cho vài chục ngàn thuê bao Hệ thống này ra đời nhờ sự phát triển của các mạch tổ hợp và tích hợp như: Các bộ vi

xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng lớn và thường được gọi là mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng PLMRN (Public Land Mobile Radio Network), làm việc ở dải tần UHF

Do đó năm 1982 tại Hội Nghị Bưu Chính Viễn Thông Châu Âu CEPT (Conference of Post ang Telecommunications) đã thành lập được nhóm chuyên môn

về thông tin di động GSM (Groupe Speciale Mobile) Nhóm này có nhiệm vụ xác định một hệ thống thông tin di động công cộng tiêu chuẩn cho toàn Châu Âu hoạt động trên băng tần 900MHz Nhóm đã quyết định xây dựng hệ thống toàn cầu cho thông tin di động GSM (Global System for Mobile Communications - hệ thống toàn cầu cho thông tin di động) Các thí nghiệm và các mô phỏng đã được tiến hành ở

nhiều nước Châu Âu trên nhiều hệ thống với nhiều nguyên tắc và các chuẩn khác nhau.

Tới năm 1986 thì có 9 đề nghị về chuẩn cho một hệ thống GSM toàn Châu

Âu và đã được thử nghiệm tại hội nghị diễn ra ở Pari Hội nghị được tiến hành bỏ phiếu với 15 nước Châu Âu để chọn ra cấu hình chuẩn của hệ thống GSM căn cứ theo các yêu cầu sau: Hiệu quả phổ, chất lượng âm thanh, giá thành máy di động, giá trạm cố định, tính tiện lợi, khả năng phục vụ với các dịch vụ mới và khả năng cùng hoạt động với các mạng hiện hành

Cho đến năm 1992 thì toàn Châu Âu đã có 6 mạng tế bào khác nhau tại 16 nước phục vụ cho 1,2 triệu thuê bao Lúc đó thì các thuê bao di động của các mạng không tương thích nhau, dẫn đến giá thành thiết bị và giá sử dụng dịch vụ rất cao dẫn đến số lượng thuê bao rất ít

Hệ thống GSM cho phép các trạm di động (MS) trong mạng không những liên lạc được với nhau mà còn liên lạc được với bất kỳ thuê bao nào nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network), các mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN (Intergrated Services Digital Network) Các dịch vụ chủ yếu khi mạng GSM ra đời là: Truyền thoại, truyền số liệu, truyền fax, truyền các bản tin ngắn SMS…

1.1.2 Đặc điểm truyền sóng trong mạng GSM.

Đặc tính truyền sóng trong thông tin vô tuyến di động là tín hiệu thu được ở máy thu bị thay đổi so với tín hiệu đã phát ở máy phát về tần số, biên độ, pha và thời gian giữ chậm Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp và sự tác động của chúng ảnh hưởng tới chất lượng liên lạc hay truyền dữ liệu Nó phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố như: Địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khí quyển, mật độ thuê bao…Tuy vậy ta có thể cơ bản chia ảnh hưởng của chúng thành: Ảnh hưởng của hiệu ứng Dopler, tổn hao đường truyền, hiệu ứng pha-đinh và hiện tượng trải trễ

Tổn hao đường truyền: Là lượng suy giảm của mức điện thu so với mức điện

đã phát đi Mức điện trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo khoảng cách, do công suất của tín hiệu trên một diện tích của mặt cầu sóng tới giảm dần theo khoảng cách giữa anten phát và anten thu, hấp thụ của môi trường truyền sóng…Tổn hao đường truyền phụ thuộc vào: Tần số bức xạ, địa hình, mật độ thuê bao, mức độ di động của chướng ngại vật, loại anten được sử dụng…Trong mạng tế bào thì tổn hao này tăng tỷ lệ với lũy thừa của khoảng cách, tuân theo luật mũ 4

Tổn hao đường truyền hạn chế kích thước của tế bào và cự ly thông tin, do

đó ta có thể lợi dụng nó để phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái sử dụng tần

số một cách hiện hữu, làm tăng hiệu quả sử dụng tần số

Ảnh hưởng của hiệu ứng Dopler: Là sự thay đổi của tần số tín hiệu thu so

với tần số tín hiệu được phát gây bởi chuyển động tương đối giữa máy thu và phát trong quá trình truyền sóng Giả sử tần số thu được tại máy thu là:

f = f c + f m *cosα i

→ f = f c *(1+(v/c) * cosα i ) (1.1)

Trong đó:

f là tần số tín hiệu thu được ở đầu vào máy thu

fc là tần số sóng mang phát không bị điều chế

Hiện tượng pha-đinh: Ở một khoảng cách ngắn nào đó thì mức tín hiệu thu

trung bình không đổi, khi mức điện tức thời của tín hiệu thu tại anten có thể thay đổi nhanh hoặc chậm (pha-đinh nhanh hoặc pha-đinh chậm), nhưng khi khoảng cách giữa MS và BTS tăng thì mức điện thu trung bình giảm

Nguyên nhân gây ra pha đinh là: Sự truyền lan theo nhiều tia của sóng vô tuyến trong môi trường di động như: Nhiễu xạ, tán xạ và phản xạ từ các chướng ngại vật hay người ta còn gọi là pha đinh đa đường Pha đinh gọi là phẳng nếu mức tín hiệu thu trung bình xảy ra như nhau với mọi tần số làm việc của kênh trong suốt dải tần Pha đinh tần số là pha đinh xảy ra đối với tất cả các tần số trong suốt dải tần Khi pha-đinh rất sâu xảy ra thì tín hiệu thu được có thể giảm tới không, tỷ số tín

hiệu/tạp âm nhỏ hơn không (S/N<0) thì đầu ra của máy thu hoàn toàn phụ thuộc vào nhiễu của kênh

Hiện tượng trải trễ: Đối với thông tin di động số thì việc truyền dẫn tín hiệu

theo nhiều tia sóng trong môi trường di động dẫn đến sự trải trễ và độ trải trễ có thể xem như độ dài của xung khi xung cực hẹp được phát đi

Hiện tượng trải trễ làm hạn chế tốc độ truyền tin và khi lưu lượng trải trễ càng lớn thì tốc độ truyền tin càng nhỏ Đối với hệ thống thông tin di động trong nhà thì tốc độ tối đa có thể đạt được khoảng 2 Mb/s mà không cần bộ san bằng kênh Còn đối với thông tin di động tế bào lớn muốn truyền tin với tốc độ cao thì nhất thiết phải có bộ san bằng kênh hoặc là chia nhỏ kích thước của tế bào (thực chất của bộ san bằng kênh là mạch lọc) Do đó kích thước của tế bào có ảnh hưởng rất lớn đến đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động.

1.2 CẤU TRÚC MẠNG VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN

BSC TRAU

BSS

BSS

TRAU BSC

BTS BTS BTS

CSPDN PLMN

PLMN Groupe Speciale Mobile Nhóm chuyên môn di động

GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống toàn cầu cho thông tin di động GSM

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

BSC Base Station Controller Trạm điều khiển gốc

MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di độngVLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

AuC Authentication Centre Trung tâm nhận thực thuê bao

GMSC Gateway Mobile Switching Centre Cổng trung tâm chuyển mạch di độngNMC Network Management Centre Trung tâm quản lý mạng

OMC Operations and Maintenance Centre Trung tâm khai thác và bảo dưỡngADC Administration Centre Trung tâm quản trị điều phối

A-bis A-bis Interface Giao diện A-bis giữa BTS và BSC

ISDN Intergrated Services Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộngCSPDN

Circuit Switched Packet Data

PSPDN Packet Switched Packet Data Network Mạng dữ liệu gói chuyển mạch góiPLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộngTRAU Transcoder Rate Adapter Unit Khối thích ứng tốc độ chuyển đổi mã

1.2.2 Chức năng của các thành phần chính trong mạng GSM.

Trạm di động MS: Là một thuê bao dùng để truy nhập các dịch vụ của hệ

thống MS gồm có một đầu cuối di động MT và một thiết bị đầu cuối TE Trong đầu cuối di động có một Modul thông minh dùng để xác nhận thuê bao SIM (Subscriber Identity Module) mà thiếu SIM thì thiết bị di động không thể truy nhập mạng GSM được ngoại trừ các số khẩn cấp như: Cảnh sát, cứu thương… Thực tế MS có rất nhiều hình dáng, kích thước và chức năng khác nhau, điều này tuỳ thuộc vào các nhà sản xuất hay các dịch vụ của mạng GSM MS có 2 chức năng chính là: Chức năng truyền dữ liệu và chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến

Trạm thu phát gốc BTS: Thực hiện các chức năng thu phát vô tuyến trực tiếp

đến các thuê bao di động MS trong tế bào BTS đó quản lý thông qua giao diện vô tuyến Um như: Phát quảng bá các thông tin của hệ thống, thực hiện thu phát một cuộc gọi…BTS được kết nối với BSC thông qua giao diện A-bis (sử dụng đường truyền vi ba hoặc cáp quang với tốc độ truyền dẫn trên dưới 100 Mb/s) Ngoài ra BTS còn có chức năng mã hoá và giải mã tiếng nói (kênh), sửa lỗi, điều khiển công suất phát…

Trạm điển khiển gốc BSC : Thực hiện các chức năng chuyển mạch và điều

khiển các kênh vô tuyến của hệ thống BSS, BSC thực hiện việc quản lý các kênh vô

tuyến và truyền các bản tin đến và đi từ thuê bao di động MS BSC ấn định kênh vô tuyến trong toàn bộ thời gian thiết lập cuộc gọi và giải phóng liên kết khi kết thúc cuộc gọi Ngoài ra BSC còn có nhiệm vụ quản lý các trạm BTS thuộc phạm vi của mình…

Trung tâm chuyển mạch di động MSC: Lập tuyến gọi và điều khiển cuộc gọi;

các thủ tục cần thiết để làm việc với các mạng khác như: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN, mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN, mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch CSPSN, mạng dữ liệu gói chuyển mạch theo gói PSPDN ; các thủ tục cần thiết để tiến hành chuyển điều khiển (HO); các thủ tục liên quan tới quản lý quá trình di động của các trạm di động như: Nhắn tin để thiết lập cuộc gọi, báo mới vị trí trong quá trình lưu động và nhận thực nhằm chống các cuộc truy nhập trái phép

Bộ ghi định vị thường trú HLR: Là một đơn vị cơ sở dữ liệu dùng để quản lý

các thuê bao di động HLR chứa một phần thông tin được VLR chuyển tới báo mới thường xuyên vị trí hiện thời của MS đang nằm trong MSC nào Ngoài ra nó còn chứa các thông tin về thuê bao như: Các dịch vụ phụ mà MS có quyền sử dụng trong mạng hay các thông số nhận thực liên quan tới quá trình nhận thực thuê bao (số nhận diện thuê bao di động quốc tế)

Trung tâm nhận thực thuê bao AuC: Là một đơn vị cơ sở dữ liệu trong mạng,

cung cấp các tham số mã mật và nhận thực cần thiết để đảm bảo tính riêng tư (mật) của từng cuộc gọi, nhận thực quyền truy nhập của thuê bao đang tiến hành truy nhập mạng và AuC được đặt trong khối HLR

Bộ ghi số nhận diện thiết bị EIR: Cũng là một cơ sở dữ liệu của mạng, chứa

các thông tin về thiết bị như con số nhận diện phần cứng của thiết bị di động Nó cho phép MSC nhận diện được các MS bị hỏng, bị lấy cắp hay đang gọi trộm và được đặt trong khối HLR

Bộ ghi định vị tạm trú VLR: Là một khối chức năng theo dõi mọi MS hiện có

trong vùng MSC của nó, kể cả các MS đang hoạt động ngoài vùng phủ sóng HLR

và nó được bố trí trong cùng một thiết bị với MSC

OMC, NMC và ADC: Là các bộ phận chức năng mà thông qua chúng có thể

giám sát quá trình hoạt động của các trạm, điều khiển các yêu cầu cần thiết, quản lý

và bảo trì toàn bộ hệ thống

Ngoài ra còn có khối thích ứng tốc độ chuyển đổi mã TRAU: TRAU có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thoại của mạng GSM thành dạng mã dùng trong điện thoại cố định TRAU có thể được bố trí trong BSC hoặc trong MSC

Để truyền các gói tin đến và đi nhanh chóng, chính xác tới địa điểm thu thì trong mạng GSM sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCSN7) và cải tiến của

nó Đây là một vấn đề không kém phần quan trọng làm tăng tốc độ truyền dẫn sử dụng trong mạng GSM Ta sẽ đi sâu về mạng báo hiệu CCSN7 ở phần dưới đây

1.2.3 Mạng báo hiệu kênh chung số 7 CCSN7 (Common Channel Signalling Number Seven).

Báo hiệu kênh chung số 7.

Trong hệ thống thông tin di động thì đường báo hiệu CCSN7 tách riêng so với đường tiếng Trong mạng CCSN7 thì không nhất thiết phải có phải có một kênh báo hiệu trên mọi đường nối Có nghĩa là các bản tin báo hiệu có thể có các đường truyền khác nhau so với đường tiếng để đến được điểm thu Điều này giúp cho hệ thống tránh được sự cố và tắc nghẽn Để tránh nhầm lẫn với các bản tin khác thì người ta gán nhãn cho các bản tin báo hiệu Kênh báo hiệu có thể chiếm một khe thời gian bất kỳ trên đường truyền dẫn 2 Mb/s (trừ khe TS0) và được sử dụng để truyền tất cả các báo hiệu của các kênh thoại ở đường nối tương ứng Nếu bản tin báo hiệu và kênh thoại được phát đi ở cùng một đường truyền PCM thì được gọi là báo hiệu liên kết, còn ngược lại là tự liên kết

Mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCSN7).

Trong mạng GSM sử dụng mạng báo hiệu CCSN7 và cải tiến của nó Sự cải tiến đó là CCSN7 được thiết kế để có thể sắp đặt trên mô hình 7 lớp của OSI Sự tương ứng giữa CCSN7 và mô hình OSI được cho bởi hình sau:

A A-bis

BSC BTS

lí p 1 B¸o hiÖu lí p 1 LAPDm

BTSM

RR BTSM LAPD

BSSAP SCCP MTP lí p 3 MTP lí p 2 MTP lí p 1 MTP lí p 1MTP lí p 1

MTP lí p 2 MTP lí p 3 SCCP BSSAP MM CM

MTP lí p 2 MTP lí p 3 SCCP TCAPMAP

Hình 1.2 Mô tả sự tương ứng giữa CCSN7 và mô hình OSI.

Chú thích:

Chữ

CM Connection Management Quản lý nối thông

MM Mobility Management Quản lý di động

RR Radio Resource Management Quản lý tiềm năng vô tuyến

LAPDm Link Access Produres on Dm Channel Các thủ tục thâm nhập đường truyền ở kênh DmBSSAP

Base Station System Application

BTSM BTS Management Quản lý trạm thu phát gốc

SCCP Signalling Connection Control Part Phần điều khiển nối thông báo hiệuMTP Message Transfer Part Phần chuyển thông báo

MAP Mobile Application Part Phần ứng dụng di động

TCAP

Transaction Capabilities

Application Part Phần ứng dụng khả năng trao đổi

LAPD Link Access Procedures on D-Channel Các thủ tục truy nhập đường truyền trên kênh DTUP Telephone User Part Phần người sử dụng điện thoại

Báo hiệu giữa MSC với các phần tử khác trong hệ thống con chuyển mạch NSS:

Dựa vào hình vẽ ta thấy ở phía bên phải cùng là các giao thức cho báo hiệu kênh chung số 7 giữa MSC với VRL, HLR, GMSC và PSTN Tương ứng với các giao thức đó là sự phân lớp theo mô hình OSI

Trong đó phần truyền bản tin MTP được sử dụng như là môi trường truyền dẫn và để định tuyến cũng như đánh địa chỉ Phần điều khiển và nối thông báo hiệu SCCP được bổ sung cho báo hiệu số 7 để đảm bảo mô hình của CCITT phù hợp với

mô hình OSI SCCP được bổ sung các chức năng để thiết lập các đấu nối logic và

để mở rộng thêm cho việc đánh địa chỉ và định tuyến MTP và SCCP tạo nên phần phục vụ mạng và tương ứng với các lớp 1,2 và 3 của OSI 7 lớp

Phần ứng dụng di động MAP và phần ứng dụng khả năng trao đổi TCAP đều

là các giao thức lớp 7 TCAP đảm bảo chức năng thông tin với đầu xa của đường báo hiệu và thiết lập các hội thoại nhiều người sử dụng, còn MAP thì dành riêng cho GSM và nó được sử dụng ở hệ thống con chuyển mạch NSS của PLMN

Các giao thức ISUP và TUP tương ứng với các lớp từ 4-7 trong mô hình OSI

và là các giao thức lớp 7 giữa PSTN và MSC để thiết lập và giám sát cuộc gọi

Giao diện A:

Đây là giao diện giữa MSC và BSC của hệ thống trạm gốc BSS và nó được

sử dụng để truyền các bản tin giữa MSC với BSC và MS Các bản tin giữa MSC và

Phần ứng dụng hệ thống trạm gốc BSSAP là giao thức được sử dụng để truyền các bản tin CM và MM, để điều khiển trực tiếp BSS như khi MSC yêu cầu BSC ấn định kênh BSSAP sử dụng các giao thức MTP và SCCP để truyền các bản tin sau: Các bản tin liên quan đến MS giữa BSC và MSC, các bản tin tới/từ MS ở chế độ định hướng theo nối thông và các bản tin phân phối dùng để phân loại giữa các bản tin BSSAP và DTAP

Giao diện A-bis:

Đây là giao diện giữa BSC và BTS, các bản tin được trao đổi ở giao diện này

có nhiều nguồn gốc và nơi nhận khác nhau như: Các bản tin điều khiển BTS, các bản tin đi từ MS và các bản tin tới MS từ nhiều nguồn khác nhau của mạng Các bản tin lớp 3 từ MS được truyền trong suốt (không bị xử lý) qua BTS và giao diện A-bis tới BSC Giao thức quản lý tiềm năng vô tuyến RR nằm trong BSC dùng để thiết lập, duy trì và giải phóng nối thông các tiềm năng vô tuyến ở các kênh điều khiển dành riêng Hầu hết các bản tin ở giao thức RR được truyền đi trong suốt, nhưng cũng có một số bản tin liên quan mật thiết với BTS thì sẽ được xử lý tại BTS bởi giao thức quản lý BTS (BTSM) như: Bản tin mật mã thì khóa mật mã chỉ gửi đến BTS mà không gửi đến MS

Giao thức được sử dụng ở lớp 2 trên giao diện A-bis là các thủ tục thâm nhập đường truyền ở kênh D (LAPD) Kênh D là kênh báo hiệu dùng để phân biệt với

kênh B là kênh lưu lượng Giao thức này có chức năng phát hiện lỗi, sửa lỗi và định hạn khung bằng cách đưa vào các cờ ở đầu khung và cuối khung.

Giao diện vô tuyến Um:

Đây là giao diện rất quan trọng của hệ thống liên quan chặt chẽ tới tốc độ đường truyền và chất lượng mạng, là giao diện giữa BTS và MS

Lớp báo hiệu 1: Đây là lớp vật lý trình bày các chức năng cần thiết để truyền

các luồng bit trên các kênh vật lý ở môi trường vô tuyến Ở giao diện này các bản tin được gửi đi liên quan đến ấn định kênh vật lý và các thông tin hệ thống của lớp vật lý bao gồm:

- Sắp xếp các kênh logic trên các kênh vật lý

- Mã hóa kênh để sửa lỗi trước FEC

- Mã hóa kênh để phát hiện lỗi CRC

- Mật mã hóa

- Chọn ô ở chế độ rỗi

- Thiết lập các kênh vật lý dành riêng

- Đo cường độ trường của các kênh dành riêng và cường độ trường của trạm gốc xung quanh

- Thiết lập định trước thời gian và công suất theo sự điều khiển của mạng.Các cổng mà qua đó lớp này cung cấp dịch vụ cho lớp 2 được gọi là các điểm thâm nhập dịch vụ SAP Các cổng này tồn tại dưới dạng khác nhau cho các bản tin ngắn và cho các bản tin của lớp đường truyền

Lớp báo hiệu 2: Lớp này sẽ ứng dụng các dịch vụ của lớp báo hiệu 1, với mục đích là cung cấp đường truyền tin cậy thuê bao và mạng Giao thức của lớp này

là LAPDm, được xây dựng trên cơ sở giao thức LAPD của ISDN Tuy nhiên LAPDm có một vài thay đổi so với giao thức LAPD để phù hợp với môi trường truyền dẫn vô tuyến và đạt được hiệu suất lớn hơn trong việc tiết kiệm phổ tần như: Trong lớp 2 không sử dụng phần kiểm tra tổng, vì mã hóa kênh ở lớp 1 đã thực hiện chức năng này rồi Trong lớp 2 thì lại có một số khung điều khiển mang thông tin

về lớp 3 như: SABM và UA Do đó tiết kiệm được thời gian truyền dẫn và phổ của tín hiệu

Lớp báo hiệu 3: Đây là lớp cao nhất của MS đảm bảo các thủ tục báo hiệu giữa MS và mạng và được chia thành 3 lớp con: Quản lý tiềm năng vô tuyến RR, quản lý di động MM và quản lý nối thông CM

- Quản lý tiềm năng vô tuyến RR: Các bản tin của lớp này được đặt bên trong BSC và được truyền trong suốt qua BTS Bao gồm các chức năng cần thiết để

thiết lập, duy trì và giải phóng đấu nối các tiềm năng trên các kênh điều khiển dành riêng:

+ Thiết lập chế độ mật mã

+ Thay đổi kênh dành riêng khi vẫn ở ô như cũ

+ Chuyển giao từ một ô này đến một ô khác

+ Định nghĩa lại tần số sử dụng cho nhảy tần

- Quản lý di động MM: Lớp con này chứa các chức năng liên quan đến tính

di động của một thuê bao như: Nhận thực, ấn định lại IMSI và nhận dạng trạm di động bằng cách yêu cầu IMSI hay IMEI

- Quản lý nối thông CM: Lớp này gồm có 3 phần tử sau: Điều khiển cuộc gọi CC, đảm bảo các dịch vụ bổ sung SS và đảm bảo các dịch vụ bản tin ngắn

+ Điều khiển cuộc gọi CC (Call Control): Cung cấp các chức năng và các thủ tục để điều khiển cuộc gọi ISDN, các chức năng và các thủ tục này đã được cải tiến để phù hợp với môi trường truyền dẫn vô tuyến Việc thiết lập lại cuộc gọi hay thay đổi trong quá trình gọi các dịch vụ mạng như: Thay đổi từ tiếng tới số liệu

và ngược lại là hai thủ tục đặc biệt mới trong CC, hay báo hiệu giữa các thuê bao

+ Phần tử đảm bảo các dịch vụ bổ sung SS (Suppliment Service): Xử lý các dịch vụ bổ sung không liên quan đến cuộc gọi như: Chuyển hướng cuộc gọi khi không có trả lời, đợi gọi…

+ Phần tử đảm bảo dịch vụ bản tin ngắn SMS (Short Message Service): Cung cấp các giao thức lớp để truyền tải các bản tin ngắn giữa mạng và thuê bao

1.3 CÁC KỸ THUẬT CHÍNH SỬ DỤNG TRONG MẠNG GSM.

1.3.1 Mã hoá tiếng nói.

Đây là một vấn đề sống còn liên quan đến việc ấn định tốc độ bit; liên quan chặt chẽ tới phổ tần của tín hiệu, mức độ tiêu thụ nguồn Với các hệ thống tế bào nhỏ thì việc này không quan trọng lắm có thể dùng các biện pháp mã hoá tiếng nói đơn giản như: Điều chế Delta, điều chế xung mã Logarit Log-PCM (Pulse Coded Modulation) hay EDM (Embedded Delta Modulation) nhằm đạt được độ giữ chậm

xử lý thấp, đơn giản về thiết bị và mức tiêu thụ nguồn thấp với chất lượng yêu cầu

Đối với các mạng tế bào lớn thì mã hóa tiếng nói phức tạp hơn rất nhiều, tiêu tốn nguồn hơn Tuy nhiên thời gian giữ chậm xử lý đáng kể và dựa trên các đặc tính

cơ bản của âm thanh và quá trình phát âm cho phép nén thông tin cao nhằm đạt được tốc độ bit thấp với chất lượng tiếng nói theo yêu cầu Để gửi tiếng nói của chúng ta qua một mạng vô tuyến thì ta phải chuyển tiếng nói thành tín hiệu số Trong mạng GSM người ta áp dụng mã hoá tiếng nói thông dụng là mã hóa dự đoán

tuyến tính – giải pháp kích thích xung đều RPE-LPC (Regular Pulse Excitation – Linear Pridictive Coding), để chuyển tiếng nói ở dạng tín hiệu tương tự sang tín hiệu số nén Giải pháp kích thích xung đều RPE là các xung kích thích phân bố đều

và biên độ của chúng tính toán được Nó cho phép đạt tốc độ trên dưới 10 kb/s và

có thể xuống thấp tận 4,8 kb/s, hoặc sử dụng phương pháp mã hóa dự đoán tuyến tính kích thích mã CELP (Code Excited Linear Prediction) cho phép tốc độ sau mã hóa thấp xuống 2,4 kb/s Mã hoá tiếng nói sử dụng trong mạng GSM là RPE-LPC cho phép truyền tiếng nói với tốc độ 13,4 kb/s cho chất lượng âm thanh gần chuông

1.3.2 Mã hóa kênh và ghép xen (mã hóa chống nhiễu và tráo thứ tự truyền).

Mã hoá kênh: Kênh vô tuyến thường gây ra các lỗi cụm trong quá trình

truyền tín hiệu số Để chống lại lỗi cụm thì phải mã hoá chống nhiễu kết hợp với tráo thứ tự truyền một cách thích hợp Các mã chống nhiễu dùng để mã hoá trong mạng GSM là sử dụng mã khối và mã xoắn kết hợp Trong đó mã khối là mã kiểm tra bit chẵn nhằm phát hiện lỗi còn sót sau khi đã sửa bằng mã xoắn (mã xoắn sử dụng trước mã khối) Để tốc độ bit truyền đi không quá lớn thì ta chỉ mã hoá các bit quan trọng trong tín hiệu truyền đi Nếu tốc độ bit lớn thì dẫn đến chiếm phổ tần lớn làm giảm hiệu quả sử dụng phổ tần

Trong mạng GSM thì mã khối với 3 bits kiểm tra được sử dụng để mã hoá 50 bits tiếng nói quan trọng nhất, sau đó 53 bits này được ghép với 132 bits tiếng nói quan trọng, cộng với 4 bits đuôi tạo thành cụm 189 bits Sau đó lại được mã hoá tiếp bằng mã xoắn với tốc độ 1/2 (độ dài ép buộc k = 5) tạo nên độ dài mã là 378 bits (189×2), ghép với 78 bits không quan trọng không được mã hoá tạo thành khối

456 bits (là tổng số bit có trong một cụm để phát lên kênh truyền) Tốc độ truyền tín hiệu thoại trong GSM là (189+78)bit/20ms = 13,4 kb/s Sau đây là sơ đồ mã hóa thoại trong mạng GSM

189

4132

350

Hình 1.3 Sơ đồ mã hóa thoại trong mạng GSM.

Ta có thể giải thích tại sao mã hóa kênh trong mạng GSM có được tốc độ truyền dữ liệu là 9,6 kb/s, dựa vào sơ đồ điều chế sau: Dữ liệu được đưa vào bộ mã hóa là khối 191 bits có độ dài là 20 ms, cộng với 3 bits cờ trạng thái đường lên USF

và cộng với 40 bits chuỗi kiểm tra khối BCS, ta được 237 bits Sau đó khối sử dụng

3 bits mã hóa lại cờ trạng thái đường lên USF và cộng với 4 bits đuôi thêm vào ta được 244 bits Tiếp tới ta cho qua bộ mã hóa xoắn với tốc độ r=1/2 và độ dài k=5, ta

có tổng số bit của khối sau mã hóa xoắn là 488 bits Nhưng khối vô tuyến GSM có

cỡ là 456 bits nên ta phải nén số bit xuống bằng cách cho qua khối Puncturing loại

bỏ đi 32 bits Cuối cùng ta được khối 456 bits, với phương pháp này cho ta tốc độ truyền dữ liệu là 191bit/20ms = 9,6 kb/s

456bits

Hình 1.4 Sơ đồ mã hóa dữ liệu trong mạng GSM.

Trong mạng GSM sử dụng mã hóa kênh toàn tốc cho tốc độ truyền đi là 22,8 kb/s, dữ liệu được truyền đi trên kênh truyền là 9,6 kb/s Tốc độ bit tiếng nói được truyền đi trong kênh lưu lượng là 13,4 kb/s

Ghép xen (tráo thứ tự truyền): Là biện pháp nhằm giảm tương quan lỗi, giảm

nhẹ nhiệm vụ cho giải mã kênh ở phía thu Bản chất của ghép xen là thay vì truyền các ma trận đi theo hàng thì các ma trận số liệu được truyền đi theo cột Ở phía thu thì các tín hiệu số liệu sau giải điều chế được sắp xếp lại theo thứ tự ban đầu, lỗi cụm sẽ được rải ra Nhờ đó bộ giải mã chống nhiễu sẽ phát hiện và sửa được dễ dàng hơn Trong mạng GSM thì tráo thứ thự truyền được thực hiện 2 lần nhằm giải tương quan lỗi một cách triệt để

1.3.3 Điều chế.

Để đạt được hiệu quả phổ tần cao thì trong mạng GSM người ta sử dụng phương pháp điều chế khóa dịch pha cực tiểu Gau-xơ GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), có đường bao không đổi BT=0.3 (Bandwidth bitinterval) Tức là tín hiệu sau khi điều chế MSK có dạng xung chữ nhật (tín hiệu NRZ) cho qua bộ lọc Gaussian có dạng hình chuông thì tín hiệu sau bộ lọc có dạng gần như hình sin Với

BT = 0,3 tức là bộ lọc được thiết kế với hình chuông cân Phương pháp này cho phép điều chế số liệu với tốc độ truyền tối đa là 9,6 kb/s và độ rộng phổ tín hiệu đầu

ra là 50kHz Ngoài ra nó còn cho phép truyền thoại với tốc độ là 13,4 kb/s Đặc điểm của loại điều chế này là phản ứng xung đầu ra trải lấn sang các dấu lân cận tạo nên ISI (InterSymbol Interference) Nhờ đó làm suy giảm giữa 2 sóng mạng lân cận

là 18 dB và hơn 50 dB đối với các kênh xa hơn Đây là phương pháp điều chế băng hẹp dựa trên kỹ thuật điều chế dịch pha

Bé läc Gaussian

Sau đây là thiết bị thực tế điều chế 0,3 GMSK được sử dụng trong mạng Vinaphone của hãng Agilent HP (Agilent HP 8657A)

1.3.4 San bằng.

Do đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động ảnh hưởng tới sóng mang lên ở phía thu bộ giải điều chế không dễ dàng gì loại bỏ được xuyên nhiễu giữa các dấu ISI Đây là nhiễu do tại phía thu các Symbol được truyền kế tiếp nhau sẽ chồng lấn lên nhau về mặt thời gian và gây nhiễu lẫn nhau Do đó để loại bỏ ISI một cách hiệu quả thì trong mạng GSM người ta sử dụng mạch san bằng với thuật toán Viterbi sử dụng với cửa sổ ước lượng kênh Nhờ thuật toán này mà tính phân tập theo tia sóng được lợi dụng, làm giảm ảnh hưởng của kênh biến đổi theo thời gian (thực chất mạch san bằng là mạch lọc)

Để phục vụ san bằng thì chuỗi san bằng kênh được phát kèm với tín hiệu phát Trong mạng GSM thì chuỗi dò kênh gồm 26 bits được truyền vào giữa khung của tín hiệu TDMA Căn cứ vào chuỗi dò kênh thì mạch san bằng ở máy thu sẽ đánh giá được ước lượng kênh một cách liên tục theo thời gian nhằm đưa ra các quyết định chính xác về tính cực tính của các bit số liệu

1.3.5 Nhảy tần.

Trong mỗi tế bào thì có rất nhiều tần số được sử dụng và MS có thể thay đổi các tần số đó ngay trong mỗi khung TDMA được gọi là nhảy tần Tốc độ nhảy tần trong mạng GSM là 217lần/s

Do các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông mạng GSM trong mỗi quốc gia cùng chia sẻ một băng tần chung lên vấn đề nhiễu ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng dịch

vụ, nhất là các vùng đô thị nơi tập trung mật độ thuê bao di động lớn Do đó các nhà khai thác mạng GSM đã áp dụng kỹ thuật nhảy tần nhằm giảm ảnh hưởng của

phađing đa đường, của nhiễu lên chất lượng thoại được cải thiện đáng kể Làm cho quá trình sử dụng lại tần số chặt chẽ và hiệu quả hơn Vì kỹ thuật nhảy tần có 2 ưu điểm lớn là độ lợi phân tập tần số và độ lợi trung bình hoá nhiễu.

Độ lợi phân tập tần số có ý nghĩa trong việc cải thiện vùng phủ sóng, vì các tần số khác nhau thì có độ dự trữ pha đinh khác nhau; làm giảm ảnh hưởng của phađing đa đường đối với MS đặc biệt là đường xuống, do đường xuống không có phân tập về anten Độ lợi trung bình hóa nhiễu có ý nghĩa trong việc cải thiện chất lượng, vì MS chỉ bị nhiễu ở một số tần số nhất định trong chuỗi tần số nhảy tần Một tần số bị nhiễu thì được trung bình hoá với các tần số không bị nhiễu khác và nếu càng nhiều tần số nhảy tần thì sẽ cho ta kết qủa độ lợi lớn hơn Hiện nay mạng GSM sử dụng hai kỹ thuật nhảy tần chính là: Kỹ thuật nhảy tần băng gốc (Base Band Hopping) và kỹ thuật nhảy tần tổng hợp (Synthersizer Hopping)

1.3.6 Điều khiển công suất.

Kiểm soát công suất trong mạng GSM là rất cần thiết, dùng để giảm nhiễu giữa các tế bào nằm gần nhau làm việc trên cùng một băng tần số Điều này làm tăng hiệu quả tái sử dụng tần số và điều khiển công suất còn cho phép tiết kiệm pin của máy di động MS Đồng thời nhờ vào công suất ta tính được độ lớn của một tế bào sử dụng Không gây nhiễu, ảnh hưởng đến các mạng khác hoạt động trong cùng dải tần số Đối với hệ thống thông tin di động CDMA thì điều khiển công suất rất là vấn đề sống còn

1.4 CẤU TRÚC KÊNH VÀ CẤU TRÚC KHUNG TIN TRONG MẠNG

GSM.

1.4.1 Cấu trúc kênh cơ bản.

Hệ thống GSM gồm có rất nhiều sóng mang, sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multi Access) và phương thức song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplex) Sau đây là bảng dải tần số sử dụng trong mạng GSM

400MHz 450.4-457.6 MHz + 460.4-467.6 MHz Châu Âu

800MHz 824-849 MHz + 869-894 MHz Mỹ

1800MHz 1710-1785 MHz + 1805-1880 MHz Châu Âu, Châu Á1900MHz 1850-1910 MHz + 1930-1990 MHz Mỹ

Bảng 1.1 Các dải tần số sử dụng trong mạng GSM

Để bảo đảm các quy định về tần số bên ngoài băng thì phải có khoảng bảo vệ giữa các băng Do đó người ta ấn định trong mạng GSM khoảng cách giữa 2 sóng mang lân cận nhau là 200 kHz Dải tần số sử dụng chung cho mạng GSM toàn cầu

là dải 900 MHz, Việt Nam cũng sử dụng dải này

1.4.1.1 Kênh vô tuyến.

Mỗi sóng mang GSM hình thành lên một kênh vô tuyến Như vậy xét trong dải 900 MHz và dải 1800 MHz ta có tương ứng 124 cặp và 374 cặp sóng mang, ứng với 124 kênh (bắt đầu từ kênh 890.2 MHz) và 374 kênh (bắt đầu từ 1710.2 MHz) tần số vô tuyến dùng trong mạng GSM Hai sóng mang liên tiếp nhau trong mạng GSM cách nhau một khoảng cách là 200 kHz Thực tế, thông thường ở một tế bào thì người ta sử dụng 2 sóng mang và cho phép tối đa 14 cuộc đàm thoại hoạt động cùng một lúc Ở những nơi có mật độ thuê bao cao thì người ta sử dụng đến 3 sóng mang cho phép 22 cuộc đàm thoại hoạt động ở một thời điểm

1.4.1.2 Kênh Vật Lý.

Mỗi tần số vô tuyến được phân chia theo thời gian và mỗi khung TDMA có

độ dài là 4,615 ms Trong mỗi khung TDMA lại phân nhỏ thành 8 khe thời gian có

độ dài là 0,577 ms và mang theo 156,25 bits Mỗi một khe thời gian ở một tần số là một kênh vật lý, dành để truyền tải thông tin trên đường truyền vô tuyến giữa MS

và BTS Do mỗi sóng mang có thể có 8 MS cùng hoạt động ở một thời điểm lên các khe đó được đánh số từ TS0→TS7 Tổng số kênh có thể có của hệ thống GSM phụ thuộc vào dải tần như: Ở dải 900 MHz và 1800 MHz có 124 và 374 kênh vô tuyến ứng với 992 và 2992 kênh vật lý Do hệ thống sử dụng cấu trúc khung lên trên mỗi kênh vật lý ta có thể ghép một số kênh logic, mỗi một loại kênh logic thì phục vụ một mục đích nhất định như: Truyền thoại, số liệu, tìm gọi, truy nhập, báo hiệu tạo cuộc gọi, truyền tín hiệu đo lường, điều khiển…

1.1.4.3 Các kênh logic.

Các bit thực hiện cùng chức năng hình thành lên kênh logic Trong hệ thống GSM gồm có 11 loại kênh logic, trong đó có 2 kênh được sử dụng để truyền thông tin thoại hoặc số liệu gọi là kênh lưu lượng và 9 kênh còn lại dùng cho báo hiệu và điều khiển

Hình 1.6 Mô tả cấu trúc kênh logic trong mạng GSM.

Chú thích:

Chữ viết

TCH/F Traffic Channel/Full Rate Kênh lưu lượng toàn tốc

TCH/H Traffic Channel/Half Rate Kênh lưu lượng bán tốc

FCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số

SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển phát quảng bá

RACH Radom Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

AGCH Access Grant Channel Kênh trao quyền truy nhập

SDCCH Standalone Dedicated Control

Channel Kênh điều khiển dành riêng đứng riêng một mìnhSACCH Slow Associated Control

Channel

Kênh điều khiển liên kết chậm FACCH Fast Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh

Các kênh lưu lượng TCH (Traffic Channel):

Kênh toàn tốc TCH/F (Full Rate Channel): Dùng cho truyền thoại với tốc độ

mã hóa là 13 kb/s hoặc truyền số liệu với tốc độ 9,6; 4,8 hoặc 2,4 kb/s Kênh toàn tốc sử dụng phương pháp điều chế pha cực tiểu Gaussian, tương tác sóng mang, tốc

độ bit tăng lên tức thời từ 0→22,8 kb/s Nếu một kênh toàn tốc sử dụng phương pháp điều chế 8-PSK thì tốc độ bit tức thời tăng từ 0→96,6 kb/s.

Kênh bán tốc TCH/H (Half Rate Channel): Dùng cho truyền thoại với tốc độ

mã hóa là 7 kb/s và truyền số liệu với tốc độ là 4,8 và 2,4 kb/s Kênh bán tốc phân

bổ tài nguyên vô tuyến tương ứng cho nhiều người sử dụng trên một nửa kênh vật lý

và tốc độ mã hóa của kênh bán tốc bằng 1/2 kênh toàn tốc

Các kênh điều khiển và báo hiệu:

Lại được chia làm 3 loại là: Các kênh điều khiển phát thanh, các kênh điều khiển dùng chung và các kênh điều khiển dành riêng

Các kênh phát thanh BCH (Broadcast Channels): Gồm có 3 loại kênh là: Kênh hiệu

chỉnh tần số FCCH, kênh đồng bộ SCH và kênh điều khiển phát thanh BCCH

Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Channel): Là kênh

đường xuống truyền từ BTS tới MS mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho các MS

và thông báo tần số phát kênh BCCH cho cell hiện thời

Kênh đồng bộ SCH (Synchronization Channel): Là kênh đường xuống truyền

từ BTS tới MS mang thông tin về hệ thống cho các MS đang hiện diện trong tế bào

mà BTS phục vụ để đồng bộ Ngoài ra kênh này còn truyền cả số khung TDMA và

mã nhận diện trạm gốc BSIC ( Base Station Identity Code- gồm có mã quốc tế và

mã quốc gia) của BTS đã chọn

Kênh điều khiển phát thanh BCCH (Broadcast Control Channel): Đây là

kênh đường xuống, dùng để thông báo cho MS các thông tin riêng về tế bào và mạng (cho biết tần số nào đang dùng, số nhận diện vùng định vị LAI, tế bào nào bị cấm, mô tả các tế bào lân cận, mã mạng, mã nước…)

Các kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Channels): Cũng gồm có 3

kênh là: Kênh tìm gọi PCH, kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH và kênh trao quyền truy nhập AGCH

Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel): Là kênh đường xuống, dùng để nhắn

gọi MS Khi có một cuộc gọi tới một MS nào đó đang đăng ký vị trí trong một vùng

LA nào đó, thì tất cả các BTS trong vùng LA sẽ phát tín hiệu gọi MS gồm có số IMSI hoặc TMSI trên kênh Paging

Kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel): Đây là kênh

đường lên truyền từ MS tới BTS yêu cầu mạng đặt một kênh điều khiển dành riêng đứng riêng SDCCH, hoặc để đáp lại tín hiệu nhắn tìm gọi của mạng, hoặc MS dùng

để truy nhập nhằm tạo một cuộc gọi hay đăng ký

Kênh trao quyền truy nhập AGCH (Access Grant Channel): Đây là kênh

đường xuống được mạng sử dụng để ấn định một kênh điều khiển dành riêng đứng riêng SDCCH cho một MS

Các kênh điều khiển dành riêng DCCH (Dedicated Control Channels): Cũng gồm

có 3 loại kênh là: Kênh điều khiển dành riêng đứng riêng một mình SDCCH, kênh điều khiển liên kết chậm SACCH và kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH

Kênh điều khiển dành riêng đứng riêng một mình SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel): Kênh này chỉ được dành riêng để truyền báo hiệu

giữa mạng và một MS, để thực hiện các thủ tục cập nhật, đăng ký vị trí và thiết lập một cuộc gọi trước khi MS được ấn định một kênh lưu lượng TCH SDCCH được phát ở cả đường lên lẫn đường xuống

Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Associated Control Channel):

Đây là kênh đường lên – xuống, kênh này được kết hợp với một kênh lưu lượng TCH hoặc một kênh SDCCH Trên đường lên thì MS báo cáo kết quả đo lường về cường độ và chất lượng tín hiệu của cell hiện thời và 6 cell lân cận tới BTS phục vụ quá trình HO Trên đường xuống từ BTS tới MS thì kênh này mang lệnh điều khiển công suất, phát định trước về thời gian phát cho MS

Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (Fast Associated Control Channel):

Đây là kênh đường lên - xuống, kênh này được kết hợp với một kênh TCH sử dụng

để báo hiệu chuyển vùng, khi MS đang liên lạc chuyển từ cell này tới cell khác Để thời gian giãn đoạn liên lạc trong khi chuyển vùng không quá lớn thì kênh FACCH được tổ chức bằng cách lấy trộm các bit của kênh TCH để truyền tín hiệu điều khiển

1.4.2 Cấu trúc khung tin.

Cơ cấu mã và giải mã mật trong mạng GSM sử dụng số khung TDMA như một thông số, do đó trạm BTS nhất thiết phải đánh thứ thự số các khung TDMA theo một mẫu tuần hoàn, không thể đánh chúng vô hạn được vì cuộc đàm thoại dễ

bị nghe trộm Chu kỳ của khung tín hiệu là 2715648 khung, mà mỗi khung có độ dài là 4.615 ms lên độ dài của một chu kỳ là 2715648x4.615= 3 giờ 28 phút 53 s và

760 ms Về mặt thời gian các kênh vật lý ở một kênh tần số được tổ chức theo cấu trúc khung, đa khung, siêu khung hoặc siêu siêu khung

Chu kỳ lớn nhất khung TDMA là 2715648 khung được gọi là một siêu siêu khung Một siêu siêu khung được chia thành 2715648/1326 = 2048 siêu khung và

được đánh số từ 0→2047, có độ dài là 6,12 s Mỗi siêu khung được chia thành các

đa khung và có hai loại đa khung là:

- Đa khung 26 khung được đánh số từ 0→25, có độ dài là 26x4,615ms = 120

ms các đa khung này được sử dụng để tải các kênh lưu lượng TCH, SACCH và FACCH và cứ 51 đa khung 26 sẽ tạo nên một siêu khung có độ dài là 51x120 = 6,12 s

- Đa khung 51 khung được đánh số từ 0→50, có độ dài là 51x4,615ms = 235

ms (vì mỗi khung TDMA có độ dài là 4,615 ms) và đa khung này sử dụng cho các kênh điều khiển phát thanh BCCH, SDCCH và SACCH và cứ 26 đa khung 51 sẽ tạo nên một siêu khung có độ dài là 25x235ms = 6,12 s

Trong một khe thời gian có 156,25 bits mà khoảng các các bit là 3,69 µs nên một khe thời gian có độ dài là 156,25x3,69µs = 0,577 ms Tám cụm thường của 8 người sử dụng là xếp chéo nhau được ghép kênh trên một sóng mang vô tuyến cho

ta độ dài của một khung TDMA là 8x0,577ms = 4,615ms Do đó một đa khung TDMA 26 có độ dài là 120 ms còn một đa khung TDMA 51 có độ dài là 235 ms

1 siªu siªu khung = 2048 siªu khung = 2715648 khung TDMA (3h 28m 53s 760ms)

2047 2046

1khung TDMA=8khe thêi gian(4,615ms)

3 2 1

CP

TB F

C¸c bit ® uî c m· Dß ® uêng C¸c bit ®uî c m·

TB

3 Côm thuêng

1khe thêi gian = 156,25bits = 0,577ms (tèc ® é 271Kbps)

Hình 1.7 Cấu trúc siêu siêu khung, siêu khung, khung TDMA và cụm Burst trong

GSM

1.4.3 Cấu trúc cụm (Burst).

Thông tin được phát trong một khe thời gian biểu thị như một khối dữ liệu gọi là một cụm Burst (có độ dài là 15/16 ms tương ứng với 156,25 bits) và có 5 cụm mang ý nghĩa khác nhau như sau: Cụm bình thường, cụm thâm nhập, cụm hiệu chỉnh tần số, cụm đồng bộ và cụm giả

Cụm bình thường (NM-Normal Burst): Được sử dụng để truyền các thông tin

trên kênh lưu lượng (TCH) và các kênh điều khiển CCH (Control Channels), ngoại trừ các kênh RACCH, SCH và FCCH

Cụm hiệu chỉnh tần số (FB-Frequency Corrrection Burst): Cụm này được sử

dụng để hiệu chỉnh tần số cho máy di động Khi cụm này được truyền thì nó tương đương như một sóng mang không bị điều chế với một lượng dịch tần xác định Việc lặp đi lặp lại các cụm này được gọi là kênh hiệu chỉnh tần số FCCH Các MS khi thu kênh FCCH sẽ thu được sóng mạng không bị điều chế đó và dùng nó như là tín hiệu quy chiếu để điều chỉnh tần số sóng của mình

Cụm đồng bộ (SB-Synchronixation Burst): Cụm này được sử dụng để truyền

tín hiệu đồng bộ thời gian cho máy di động truyền trên kênh đồng bộ

Cụm thâm nhập (AB-Access Burst): Cụm này được sử dụng để thâm nhập

ngẫu nhiên và truyền trên kênh điều khiển liên kết chậm RACCH ở đường lên Cụm này có khoảng phòng vệ dài hơn so với các cụm khác để tránh đè lên nhau

Cụm giả (DM-Dummy Burst): Được phát đi từ BTS trong một số trường hợp

như: Trên kênh Paging PCH khi không có tìm gọi cũng như không trao quyền truy nhập hay trong quá trình liên lạc khi có phần nói ngưng

1.5 HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG GSM TRONG QUÁ TRÌNH THIẾT

LẬP MỘT CUỘC GỌI.

1.5.1 Trạm di động MS thực hiện một cuộc gọi.

MS yêu cầu ấn định kênh: Sau khi thực hiện việc quay số, MS yêu cầu được

ấn định kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH Khi nhận được yêu cầu này trạm thu phát gốc BTS sẽ giải mã bản tin Phần mềm của BSS ấn định kênh điều khiển dành riêng đứng riêng một mình SDCCH với bản tin ấn định kênh tức thời gửi trên kênh cho phép truy nhập ngẫu nhiên AGCH

MS trả lời: MS trả lời bản tin ấn định kênh tức thời trên kênh điều khiển

dành riêng đứng riêng một mình SDCCH MS sẽ truyền đi các bản tin SABM (kiểu cân bằng kênh không đồng bộ tổ hợp) Bên trong bản tin SABM bao gồm các chỉ thị yêu cầu các dịch vụ khác nhau như bản tin yêu cầu thực hiện cuộc gọi hay cập

nhật vị trí Các bản tin này được xử lý tại trạm gốc BSS và được chuyển tới trung tâm chuyển mạch MSC thông qua giao diện A-bis.

Yêu cầu nhận thực: Sau khi nhận được các yêu cầu về dịch vụ, trung tâm

chuyển mạch MSC sẽ gửi đi một yêu bản tin yêu cầu nhận thực đối với trạm di động MS Các yêu cầu dịch vụ sẽ được gửi tới trạm gốc BSS thông qua đường báo hiệu CCSN7 Trạm thu phát gốc sẽ làm nhiệm vụ truyền các yêu cầu này tới MS trên kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH

MS trả lời nhận thực: Trạm di động MS trả lời yêu cầu nhận thực bằng một

đáp ứng nhận thực Đáp ứng trả lời nhận thực của MS sẽ được trạm thu phát gốc BTS chuyển tới trung tâm chuyển mạch MSC trên đường báo hiệu vô tuyến

Yêu cầu mã hóa: Sau quá trình nhận thực được hoàn thành thì MSC sẽ gửi

đến BSC một lệnh yêu cầu mã hóa quá trình trao đổi thông tin giữa MS và MSC Quá trình này có được thiết lập hay không là phụ thuộc vào BSC, và MSC thiết lập chế độ mã hóa Cipherring Mode là ON hay OFF, nếu là ON thì các thuật toán hay khóa bảo mật được sử dụng

Hoàn thành quá trình mã hóa: MS trả lời hoàn thành quá trình mã hóa bằng

cách gửi bản tin thực hiện xong quá trình mã hóa tới MSC

MS thiết lập cuộc gọi: Trạm di động MS gửi bản tin thiết lập cuộc gọi trên

kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH tới tổng đài di động MSC yêu cầu dịch vụ thiết lập cuộc gọi

Yêu cầu ấn định kênh lưu lượng: Sau khi tổng đài MSC nhận được bản tin

yêu cầu thiết lập cuộc gọi thì MSC sẽ gửi lại hệ thống BSS bản tin ấn định kênh lưu lượng, bản tin này chỉ thị loại kênh lưu lượng yêu cầu là kênh bán tốc hay toàn tốc hoặc là truyền số liệu Trạm thu phát gốc BTS sẽ chỉ định và ấn định cho MS một kênh lưu lượng TCH bằng cách gửi một lệnh ấn định trên kênh SDCCH

MS hoàn thành việc ấn định kênh TCH: Để đáp ứng lệnh ấn định thì MS

chiếm lấy kênh TCH và đồng thời gửi bản tin hoàn thành việc ấn định kênh trên kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH

Bản tin đổ chuông: MSC gửi bản tin đổ chuông tới trạm di động MS gọi, bản

tin này thông báo cho MS biết hoàn thành việc gọi và có tín hiệu hồi âm chuông được nghe thấy từ máy MS

Bản tin kết nối: Khi MS bị gọi nhấc máy trả lời thì một bản tin kết nối được

gửi tới thuê bao gọi, tín hiệu này là trong suốt đối với trạm BSS Bản tin kết nối được truyền thông qua kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH Để trả lời tín hiệu

nối thì MS mở một đường tiếng và truyền đi thông qua kênh FACCH, bản tin kết nối với tổng đài di động MSC và cuộc gọi được thực hiện.

1.5.2 Trạm di động MS nhận một cuộc gọi.

Nhắn tin tìm gọi: Khi thuê bao nhận được tín hiệu tìm gọi thì tổng đài di

động MSC sẽ gửi một bản tin “ yêu cầu nhắn tin” đến hệ thống điều khiển trạm gốc BSC Khi có tin nhắn đến thì BSC sẽ xử lý bản tin này và truyền chúng trên kênh nhắn tin PCH

Thuê bao trả lời: Sau khi thu được bản tin Paging Request thì trạm di động

MS trả lời bằng cách gửi bản tin yêu cầu truyền trên kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH

Ấn định kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH: Khi nhận được bản

tin ấn định kênh thì BSS sẽ xử lý bản tin và ngay lập tức ấn định một kênh điều khiển SDCCH Việc ấn định này sẽ được mã hóa và truyền trên kênh cho phép truy nhập AGCH Trạm di động MS được ấn định một kênh SDCCH và truyền một bản tin kiểu cân bằng không đồng bộ tổng hợp SABM để trả lời nhắn tin Mạng sẽ trả lời trên đường lên để thiết lập kết nối vô tuyến lớp thứ hai Sau khi được xử lý tại phần BSS thì bản tin trả lời tìm gọi sẽ được gửi tới MSC

Yêu cầu nhận thực: Sau khi tổng đài di động MSC nhận được bản tin trả lời

tìm gọi thì nó sẽ gửi đi một yêu cầu nhận thực đối với trạm di động MS tới trạm gốc BSS Tại đây BSS sẽ làm nhiệm vụ truyền các yêu cầu này tới trạm di động MS trên kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH

MS trả lời nhận thực: Trạm di động MS trả lời yêu cầu nhận thực bằng một

đáp ứng nhận thực tới trạm thu phát gốc BTS Sau đó trạm thu phát gốc BTS chuyển tới trung tâm chuyển mạch MSC trên đường báo hiệu vô tuyến

Yêu cầu mã hóa: Sau khi quá trình nhận thực được hoàn thành thì MSC sẽ

gửi đến BSC một lệnh yêu cầu mã hóa quá trình trao đổi thông tin giữa MS và MSC Quá trình này được thiết lập phụ thuộc vào BSC và MSC đặt ở chế độ ON hay OFF

Hoàn thành quá trình mã hóa: MS trả lời hoàn thành quá trình mã hóa bằng

cách gửi đi bản tin “ Hoàn thành chế độ mã hóa” tới MSC

Bản tin thiết lập: MSC gửi bản tin thiết lập tới MS yêu cầu các dịch vụ BSS

gửi bản tin thiết lập trên kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH

MS xác nhận cuộc gọi: Khi MS nhận được bản tin thiết lập cuộc gọi, nó sẽ

gửi đi một bản tin xác nhận cuộc gọi và thông báo cho MSC có thể nhận được cuộc gọi

Ấn định kênh: Khi nhận được bản tin xác nhận thì tổng đài di động MSC gửi

đi một bản tin ấn định kênh Hệ thống trạm gốc BSS nhận được bản tin này, ấn định kênh lưu lượng TCH và gửi đi bản tin ấn định kênh tới trạm di động MS trên kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH

Hoàn thành ấn định kênh: Trạm di động MS chiếm lấy kênh TCH và gửi đi

bản tin hoàn thành việc ấn định kênh trên kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH

Hệ thống trạm gốc sau khi nhận được bản tin này thì gửi nó tới tổng đài di động MSC

Bản tin đổ chuông: MS gửi bản tin đổ chuông tới tổng đài di động MSC trên

kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH Sau đó tổng đài di động MSC gửi hồi âm chuông này cho máy chủ gọi

MS thực hiện kết nối: Khi trạm di động bị gọi trả lời thì nó sẽ gửi bản tin kết

nối trên kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH tới MSC, và thiết lập một đường thoại đến MS gọi Bản tin kết nối được truyền qua BSS tới tổng đài di động MSC trên đường báo hiệu Bản tin xác nhận kết nối được gửi trả lại tổng đài di động MSC để tìm đến tổng đài của máy chủ gọi

Thiết lập cuộc gọi thành công: Kết nối cuộc gọi được thiết lập và cuộc gọi

được diễn ra

1.6 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG GSM.

Do mạng GSM sử dụng đường truyền dữ liệu chuyển mạch kênh đối xứng với tốc độ truyền dữ liệu là 9,6 kb/s và truyền thoại 13,4 kb/s.Tốc độ cực đại mà một khe thời gian có thể cung cấp cho một người sử dụng là 271 kb/s Vì mỗi một thuê bao sử dụng một khe thời gian trong suốt quá trình liên lạc của mình lên đó cũng là tốc độ tối đa cho phép một người sử dụng Do nhu cầu không ngừng ngày càng cao của người sử dụng về tốc độ truyền dẫn, chất lượng mạng, dung lượng đường truyền dẫn với các dịch vụ như: Internet, thư điện tử,wap….Mà mạng GSM hiện tại thì lại không đáp ứng được các nhu cầu đó

Trước tình hình đó các nhà khai thác mạng GSM đã không ngừng nghiên cứu và tìm tòi Để hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu cao hơn thì về mặt kỹ thuật có hai giải pháp sau: Tối ưu tốc độ mã hóa kênh và định tuyến dữ liệu đi qua giao diện vô tuyến Um Các nhà khai thác mạng GSM đã chọn giải pháp hỗ trợ mạng là: Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) Đây là giải pháp định tuyến dữ liệu đi qua giao diện Um nhiều hơn bằng cách sử dụng một vài kênh lưu lượng tức là MS sử dụng 4 khe thời gian thay cho một khe thông

thường cho một cuộc gọi Do vậy tốc độ truyền dữ liệu của người sử dụng tăng lên là: 4x9,6kb/s = 38,4 kb/s.

HSCSD còn hỗ trợ cả truyền đối xứng và truyền không đối xứng Ở chế độ truyền đối xứng thì tốc độ truyền lên từ MS lên BTS và đường truyền xuống từ BTS tới MS là bằng nhau và thường dùng để truyền thoại Còn chế độ truyền không đối xứng thì tốc độ truyền xuống từ BTS xuống MS cao hơn tốc độ ngược lại và thường được dùng để truyền dữ liệu

Dữ liệu trong HSCSD được truyền dưới dạng các luồng bit song song được đưa vào các khe thời gian khác nhau thông qua các cụm Burst, truyền đi trên một sóng mang và chúng sẽ được kết hợp tại đầu cuối Việc cấp phát khe thời gian hoàn toàn phụ thuộc vào thủ tục cấp phát khe thời gian và dịch vụ đăng ký của người sử dụng Nếu dữ liệu không đủ để điền vào 4 khe thời gian thì các bit trống sẽ được chèn vào

Ở một số nước trên thế giới đã triền khai nhưng nó không được triển khai rộng, vì sử dụng cả 4 khe nên phụ thuộc rất lớn vào chính sách giá của nhà khai thác mạng Phần lớn lưu lượng truyền dữ liệu là không đối xứng mà giao diện vô tuyến Um thì lại không tối ưu cho chuyển mạch kênh không đối xứng Ở Việt Nam các mạng GSM cũng đã triển khai mạng HSCSD trên mạng của mình Điều này đặt

ra là phải nâng cấp mạng HSCSD lên nữa nhằm đáp ứng nhu cầu tốc độ truyền dữ liệu cho người sử dụng với chất lượng mạng cao Đứng trước tình hình đó thì các nhà cung cấp dịch vụ GSM đã chọn giải pháp: Dịch vụ vô tuyến gói chung (General Packet Radio Service) cho phép đạt tốc độ truyền dữ liệu là 21,4 kb/s trên một khe thời gian và tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất mà một thuê bao có thể đạt được là: 8x 21,4kb/s = 171,2 kb/s

Chương II HỆ THỐNG GPRS HỖ TRỢ MẠNG GSM.

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GPRS.

Do mạng GSM có những hạn chế về tốc độ và dung lượng truyền dẫn đã nói

ở trên nên đến năm 1999 các nhà khai thác mạng GSM đã áp dụng giải pháp GPRS,

và đã triển khai hoạt động trên cơ sở nền tảng của mạng GSM GPRS áp dụng nguyên lý chuyển mạch gói vô tuyến để truyền số liệu của người sử dụng một cách hiệu quả với tốc độ truyền số liệu cao hơn chuyển mạch kênh mạng GSM hay HSCSD, mà không ảnh hưởng tới các dịch vụ hiện thời của mạng GSM

GPRS cho phép truyền số liệu với tốc độ cao hơn vì: Trong mạng GSM thì một thuê bao chỉ sử dụng một khe thời gian trong suốt thời gian liên lạc của mình lên tốc độ đạt được tối đa truyền dữ liệu là 9,6 kb/s và truyền thoại là 13,4 kb/s Còn trong chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD thì mỗi một MS sử dụng tối đa 4 khe thời gian với tốc độ tối đa cho phép truyền dữ liệu là 38,4 kb/s (4 khe x 9,6 kb/s) Nhưng với sự hỗ trợ của GPRS bằng phương pháp chuyển mạch gói thì tốc độ tối

đa cho phép truyền dữ liệu là 171,2 kb/s (sử dụng hết 8 khe thời gian x 21,4 kb/s)

GPRS cho phép thiết lập cuộc gọi nhanh hơn vì: Trong mạng GSM, thời gian thiết lập trong vài giây, còn trong mạng GPRS thì cho phép thời gian kết nối dưới 1s và coi như MS luôn kết nối với mạng số liệu

GPRS cho phép tính cước ít hơn mạng GSM vì: Trong mạng GPRS tính cước theo dung lượng truyền dẫn chứ không tính theo thời gian truyền dẫn như mạng GSM Do đó nó cho phép MS kết nối với mạng dài lâu mà không bị tính tiền như: Đọc web, thư điện tử…

GPRS cho phép sử dụng phổ tần hiệu quả hơn vì: Trong truyền dẫn chuyển mạch kênh, một kênh được ấn định cho một người sử dụng trong suốt khoảng thời gian của cuộc gọi Với một mạng chuyển mạch gói GPRS, phổ vô tuyến được chia cho tất cả mọi người sử dụng trong một tế bào Phổ tần được sử dụng chỉ khi nào thuê bao có thông tin để gửi Khi không có số liệu để phát, phổ hoàn toàn rỗi và được sử dụng cho các cuộc gọi khác Như vậy khi số liệu bùng nổ một cách tự nhiên, các tài nguyên mạng có thể được cân bằng một cách hiệu quả hơn, bởi vì nhà khai thác có thể sử dụng những khoảng trống trong truyền dẫn để điều khiển các cuộc gọi khác tức là: Sau khi MS gửi và nhận dữ liệu xong thì tài nguyên vô tuyến được giải phóng ngay cho người khác sử dụng nếu có nhu cầu Như vậy một kênh vật lý (một khe thời gian) có thể sử dụng cho nhiều MS và mỗi MS có thể sử dụng nhiều khe thời gian cùng một lúc Vì tại một thời điểm mà MS đó không sử dụng

khe thời gian của mình để trao đổi thông tin thì khe rỗi đó sẽ được dành cho người khác sử dụng.

GPRS sử dụng giao thức IP: Đây là một giao thức mới được sử dụng mà mạng GSM không có Vì xu hướng hiện nay là các mạng đều hỗ trợ giao thức IP,

nó cho phép liên kết các mạng với nhau và liên kết với mạng Internet toàn cầu Nhờ

có khả năng kết nối với Internet lên GPRS cho phép MS sử dụng dịch vụ Internet di động Khi nhu cầu phát triển cao, tốc độ truyền số liệu cao hơn đến 2 Mb/s theo phương thức chuyển mạch gói, sẽ được hỗ trợ trong tương lai thông qua sử dụng mạng 3G

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 chỉ phải trả tiền cho số gói tin được chuyển đi (tức là thuê bao chỉ trả tiền theo dung lượng truyền dẫn) Thuê bao GPRS chỉ chiếm tài nguyên mạng GSM khi có yêu cầu truyền tải, sau đó nó sẽ giải phóng ngay điều này thuận lợi cho người sử dụng khi kết nối trực tuyến một thời gian dài với mạng

2.2 CẤU TRÚC MẠNG VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN

CHÍNH TRONG MẠNG GPRS.

2.2.1 Cấu trúc mạng GPRS.

GPRS được thiết kế bởi ETSI và được triển khai trên cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng GSM mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ hiện thời của mạng Với mục đích triển khai nhanh các dịch vụ số liệu gói trên mạng GSM với chi phí đầu vào thấp, hiện tại mạng GSM chỉ cần nâng cấp về phần mềm, ngoại trừ khối BSC phải nâng cấp về phần cứng, cũng có một số tuyến truyền dẫn được sử dụng cho cả GSM và GPRS, như các tuyến BTS và BSC…

Mạng GSM chỉ cung cấp dịch vụ chuyển mạch kênh, nhưng mạng GPRS lại cung cấp chuyển mạch gói Do đó để mạng GSM và GPRS hoạt động nhịp nhàng cùng với nhau thì ta phải đưa thêm một số thiết bị mới hỗ trợ chuyển mạch gói vào

sử dụng Hai nút mới được bổ sung đó là nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Service GPRS Support Node) và nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN: Gateway GPRS Support Node) và khối điều khiển gói PCU (Packet Control Unit) Do đó MS có thể chuyển các gói tin qua mạng GSM tới một mạng dữ liệu gói bên ngoài (internet)

BSC/PCU BSC/PCU

Giao diÖn Gb

M¹ NG D÷ LIÖU KH¸ C

INTERNET M¹ NG Lâ I gpRS

GGSN SGSN

Thay đæi HW và SW cho GPRS

Giao diÖn A Giao diÖn

HLR/

AuC/EIR MSC/VLR

BSS

TRAU BTS

2.2.2 Chức năng của các phẩn tử chính trong mạng GPRS.

2.2.2.1 Chức năng của các phần tử mới bổ sung trong mạng GPRS.

Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN- Serving GPRS Support Node):

Chức năng của nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) tương tự như chức năng của MSC/VLR Chỉ khác ở chỗ là MSC/VLR thực hiện các chức năng trong vùng chuyển mạch kênh còn SGSN phục vụ trong vùng chuyển mạch gói Tức là SGSN phụ trách việc phân phát và định tuyến các gói số liệu giữa thiết bị MS và các mạng truyền số liệu bên ngoài

Khi có các gói tin gửi cho MS thì các gói này sẽ được định tuyến tới BSS Lúc này SGSN sẽ thực hiện việc chuyển đổi giao thức giữa mạng đường trục IP và giao thức tại BSS/MS Vùng phục vụ của SGSN thì được chia thành vùng định tuyến RA (Routing Area), nó tương tự như các vùng định vị LA (Local Area) ở mạng chuyển mạch kênh Khi MS của mạng GPRS chuyển động từ RA này sang

RA khác thì MS tiến hành cập nhật vùng định tuyến cũng giống cập nhật vùng định

vị trong mạng chuyển mạch kênh Chỉ có một điều khác nhau căn bản là MS có thể cập nhật vùng định tuyến trong khi đang xảy ra phiên số liệu, còn trong chuyển mạch kênh thì MS không tiến hành cập nhật vùng định vị

Các nút SGSN phục vụ cho bất kỳ một thuê bao GPRS nào nằm trong vùng phục vụ của nó và cho nhiều BSC, còn mỗi một BSC chỉ trao đổi thông tin với một SGSN thông qua giao diện Gb và SGSN có các chức năng chính sau:

- Phục vụ tất cả các trạm di động GPRS trong một khu vực nào đó

- Quản lý tính di động như: Nhập mạng, rời mạng, cập nhật RA và paging

- Lưu trữ và duy trì thông tin thuê bao trong thanh ghi vị trí SGSN (SLR) của tất cả các thuê bao đã đăng ký trong khu vực định tuyến thuộc về SGSN đó

- Điều khiển gói: Truyền dữ liệu người dùng từ PCU tới SGSN và ngược lại

- Quản lý phiên: Kích hoạt hoặc làm không hoạt động giao thức dữ liệu gói PDP (Packet Data Protocol- context) để thiết lập một kết nối tới SGSN

- Điều khiển cập nhật khu vực định tuyến inter-SGSN: SGSN mới – nơi thuê bao đã đăng ký- liên lạc với SGSN cũ để nhận các thông tin về thuê bao đó thông qua thanh ghi SLR (Subcriber Location Register)

- Thực hiện kỹ thuật nén dữ liệu, nhằm rút ngắn thời gian kết nối trong mạng

- Điều khiển SMS: Trung tâm SMS có thể kết nối trực tiếp với SGSN qua Gd

- Quản lý sự thực thi để đo lưu lượng trong vùng này của mạng

- Duy trì và quản lý lỗi: Để phát hiện lỗi trong quá trình truyền và các thủ tục

- Cung cấp các kết nối với các phần tử khác trong mạng: SGSN- MSC/VLR, HLR, BSC…

- Cung cấp các khả năng tương tác với mạng GSM, trong khi cả hai công nghệ này cùng sử dụng chung một nguồn tài nguyên vô tuyến

- Điều hành việc sắp xếp theo trật tự các hàng của các gói dữ liệu khi tiến hành trao đổi giữa BSS và SGSN

- Tập hợp, cung cấp các dữ liệu phục vụ cho việc tính cước: Gồm các bộ dữ liệu charging data đã truyền, từ đó tạo các file dùng để tính hóa đơn

- Điều khiển trả trước: Ghi nợ các account đã trả tiền cho việc sử dụng GPRS

Nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN).

Chức năng của GGSN trong hệ thống GPRS, tương tự như chức năng của GMSC trong mạng GSM GGSN cung cấp một giao diện cổng Gi phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu gói giữa thuê bao với các mạng số liệu gói bên ngoài và GGSN có các chức năng chính sau:

- Cung cấp giao diện Gi giữa mạng GPRS với các mạng dữ liệu bên ngoài, GGSN đóng vai trò như một bộ định tuyến, kết nối tới mạng IP.

- Bảo mật IP

- Định tuyến và truyền tải dữ liệu giữa các GSN và các phần tử trong mạng

- Quản lý phiên làm việc trong mạng GPRS: GGSN hỗ trợ các thủ tục quản

lý phiên như: PDP context activation, deactivation và modification

- Cung cấp khả năng chuyển đổi khuôn, dạng của các gói dữ liệu trao đổi giữa mạng GPRS với các mạng dữ liệu khác Điều này cho phép các gói dữ liệu X.25 và IP được truyền tải với cùng khuôn dạng

- Cung cấp các dữ liệu phục vụ cho việc tính cước

- Điều khiển việc truy nhập của các thuê bao

Sự kết hợp giữa nút hỗ trợ dịch vụ SGSN và nút hỗ trợ cổng GGSN:

Các chức năng của nút hỗ trợ dịch vụ SGSN và nút hỗ trợ cổng GGSN có thể kết hợp được với nhau trong cùng một khối vật lý hoặc có thể tách thành các khối riêng biệt để truyền đi Khi mà hai nút đó thuộc hai mạng công cộng mặt đất PLMN khác nhau thì chúng kết nối với nhau thông qua giao diện IP của GPRS

Khối dữ liệu điều khiển gói PCU (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 trạm gốc BSS của mạng GSM hiện tại, PCU được đặt tại bộ điều khiển trạm gốc BSC và phục vụ cho BSC đó PCU quản

lý các chức năng về chuyển tiếp khung, quản lý các thông tin báo hiệu về dịch vụ mạng, báo hiệu BSSGP, định tuyến các bản tin báo hiệu, quản lý tải tin các lớp RLC/MAC và truyền tải dữ liệu của người sử dụng

Tại PCU các khối dữ liệu RLC sẽ được sắp xếp lại trong khung điều khiển kết nối logic LLC (Logic Link Control), sau đó được chuyển tới SGSN Báo hiệu BSSGP và NS (dịch vụ mạng) sử dụng giao thức chuyển tiếp khung, làm nhiệm vụ báo hiệu giữa PCU và SGSN PCU được kết nối với SGSN thông qua mạng chuyển tiếp khung hoặc có thể kết nối trực tiếp với SGSN

2.2.2.2 Chức năng thêm của các phần tử cũ trong mạng.

Khi đưa thêm các phần tử mạng GPRS vào khai thác, dựa trên nền tảng sẵn

có của mạng GSM hiện tại thì các phần tử của mạng GSM cùng trở thành phần tử của mạng GPRS Tức là các phần tử đó hoạt động nhịp nhàng với cả hai mạng

Trạm điều khiển gốc BSC: Đóng vai trò là trung tâm phân phối, định tuyến

dữ liệu và thông tin báo hiệu trong mạng GPRS, đồng thời nó cung cấp các chức năng liên quan trong phần BSS BSC cũng có thể thiết lập, giám sát và hủy bỏ các

cuộc gọi chuyển mạch gói Ngoài ra nó còn thực hiện các chức năng chuyển vùng, thiết lập các tham số của các tế bào thuộc phạm vi quản lý của nó trong mạng GPRS.

Trạm thu phát gốc BTS: Cung cấp khả năng ấn định các kênh vật lý cho các

gói tin trong mạng GPRS Ngoài ra nó còn kết hợp với khối PCU thực hiện các chức năng về giao diện vô tuyến trong mạng GPRS

Trung tâm chuyển mạch di động/Bộ đăng ký tạm trú (MSC/VLR):

MSC/VLR 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 và cấu hình của

hệ thống 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.

HLR lưu trữ tất cả các thông tin về thuê bao của mạng GSM cũng như của mạng GPRS Thông tin về thuê bao GPRS được trao đổi giữa HLR với SGSN thông qua giao diện Gc 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 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 trình mã hoá đường truyền là thay đổi so với hệ thống GSM

Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR: EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan

đến thiết bị đầu cuối MS của mạng GSM/GPRS EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị, nếu thiết bị không được phép thì sẽ

bị cấm

Thiết bị đầu cuối GPRS (MT, TE):

Thiết bị đầu cuối TE (Terminal Equipment): Về bản chất là một máy tính,

mà thông qua nó người sử dụng có thể truy nhập và lấy thông tin từ mạng

Đầu cuối di động MT (Mobile Terminal): Có nhiệm vụ kết nối TE với hệ thống GPRS thông qua giao diện vô tuyến Um MT là máy điện thoại GSM thông thường, tuy nhiên nó được trang bị thêm một số chức năng để cung cấp dịch vụ số liệu gói

Thiết bị đầu cuối GPRS có thể hoạt động được ở ba chế độ: