ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Phạm Văn Ngọc
CÔNG NGHỆ GPRS CHO THẾ HỆ THÔNG TIN 2.5G
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
Ngành: Điện Tử – Viễn Thông
HÀ NỘI-2005
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Phạm Văn Ngọc
CÔNG NGHỆ GPRS CHO THẾ HỆ THÔNG TIN 2.5G
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
Ngành: Viễn Thông
Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn Viết Kính
HÀ NỘI-2005
TÓM TẮT KHÓA LUẬN
Trong khóa luận này trình bày một cách tổng quan về mạng thông tin di động thế
hệ 2G GSM và mạng thông tin 2.5G GPRS. Một số cấu trúc mạng của cả hai thế hệ
thống thông tin di động có phần giống nhau và khác nhau về một số cấu trúc cơ bản,
ngoài ra cũng có các phần khác nhau giữa các phần tử trong mạng để phù hợp với yêu
cầu truyền dữ liệu gói trong mạng GPRS. Các giao diện trong mạng và cấu trúc các
kênh logic và kênh vật lý trong mạng để có thể sử dụng chung ở hai mạng. Trong mạng
GPRS các máy di động có thể được phân thành các nhóm và kiểu khác phụ thuộc vào
loại máy để có thể truy cập dữ liệu tốc độ cao hơn và khả năng vừa thực hiện truyền
nhận dữ liệu và kết hợp với khả năng thực hiện thoại cùng một lúc tùy thuộc vào từng
loại máy. Ngoài ra một số giải pháp để nâng cấp cơ sở hạ tầng mạng GSM sẵn có lên
mạng GPRS. Cuối cùng là mô hình của một quá trình truyền dẫn và một số kết quả
đánh giá khi truyền một khung dữ liệu gói trên kênh truyền AWGN với các thông số
của kênh là khác nhau.
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT …………………………………………………………………………….i
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………………………………….
1
Chương 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM …………………….
2
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
Những đặc thù của thông tin di động ……………………………………………………
2
Lịch sử phát triển của thông tin di động …………………………………………………..
3
Đặc điểm của thông tin di động GSM………………………………………………………
4
Cấu trúc hệ thống GSM………………………………………………………………………
5
1.4.1. Cấu trúc và chức năng hệ thống con chuyển mạch – SS …………………………
6
1.4.2. Cấu trúc và chức năng của hệ thống con trạm gốc – BSS ……………………….
8
1.4.3. Trạm di động – MS ………………………………………………………………………….
10
1.4.4. Hệ thống con khai thác và hỗ trợ – OSS………………………………………………
11
1.5. Cấu hình kênh trên giao diện vô tuyến
………………………………………………………
11
1.5.1. Kênh vật lý ……………………………………………………………………………………..
11
1.5.2. Kênh logic ………………………………………………………………………………………
12
1.6. Giao diện trong mạng GSM …………………………………………………………………….
13
1.6.1. Giao diện giữa các phần tử mạng……………………………………………………….
14
1.6.2. Giao diện ngoại vi ……………………………………………………………………………
16
1.7. Các trường hợp thông tin trong mạng GSM……………………………………………….
17
1.7.1. Các MS tắt máy ở ngoài vùng phục vụ ……………………………………………….
17
1.7.2. MS bật máy, trạng thái máy rỗi………………………………………………………….
17
1.7.3. MS bận …………………………………………………………………………………………..
17
1.7.4. Cập nhật vị trí
………………………………………………………………………………….
17
1.7.5. Thủ tục nhập mạng và đăng ký ban đầu………………………………………………
17
1.7.6. Thủ tục rời mạng ……………………………………………………………………………..
18
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
1.8. Các trường hợp cuộc gọi trong GSM ………………………………………………………..
18
1.8.1. Cuộc gọi từ MS ……………………………………………………………………………….
18
1.8.2. Cuộc gọi đếm MS…………………………………………………………………………….
18
1.9. Chuyển giao
…………………………………………………………………………………………..
19
1.9.1. Chuyển giao giữa hai ô thuộc cùng một BSC ………………………………………
20
1.9.2. Chuyển giao giữa hai ô thuộc hai BSC khác nhau………………………………..
21
1.9.3. Chuyển giao giữa hai ô thuộc hai tổng đài (MSC) khác nhau ………………..
22
Chương 2: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 2.5G ………………………..
24
2.1. Tổng quan về GPRS ……………………………………………………………………………….
24
2.2. Cấu trúc mạng GPRS và các giao thức …………………………………………………..
26
2.2.1. Thiết bị đầu cuối – TE………………………………………………………………………
29
2.2.2. Đầu cuối di động – MT …………………………………………………………………….
29
2.2.3. Trạm di động – MS ………………………………………………………………………….
29
2.2.4. Hệ thống trạm gốc – BSS
………………………………………………………………….
30
2.2.5. Bộ đăng ký định vị thường trú – HLR ………………………………………………..
30
2.2.6. Nút hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói di động – SGSN…………………………..
31
2.2.7. Nút hỗ trợ chuyển mạch gói di động cổng – GGSN ……………………………..
32
2.2.8. Cổng đường biên – BG …………………………………………………………………….
33
2.2.9. Đơn vị kiểm soát gói – PCU ………………………………………………………………
33
2.2.10. Trung tâm chuyển mạch di động/bộ đăng ký tạm trú – MSC/VLR……….
34
2.2.11. Trung tâm nhận thực – AUC……………………………………………………………
34
2.2.12. SMS – GMSC và SMS – IWMSC ……………………………………………………
35
2.2.13. Thanh ghi nhận dạng thiết bị – EIR ………………………………………………….
35
2.3. Các giao diện trong mạng GPRS
………………………………………………………………
35
2.4. Chất lượng dịch vụ GPRS ……………………………………………………………………….
37
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
2.4.1. Cơ sở dữ liệu của thuê bao ………………………………………………………………..
37
2.4.2. Chất lượng dịch vụ (QoS) …………………………………………………………………
38
2.5. Mạng vô tuyến GPRS ……………………………………………………………………………..
40
2.5.1. Đa truy cập và phân chia tài nguyên vô tuyến ……………………………………..
40
2.5.2. Kênh vật lý ……………………………………………………………………………………..
41
2.5.3. Kênh logic ………………………………………………………………………………………
42
2.5.4. Ánh xạ các kênh logic dữ liệu gói vào trong các kênh vật lý …………………
46
2.5.5. Mã hoá kênh ……………………………………………………………………………………
47
2.6. Quản lý di động GPRS ……………………………………………………………………………
50
2.6.1. Các trạng thái của trạm di động …………………………………………………………
50
2.6.2. Quản lý vị trí trạm di động
………………………………………………………………..
51
2.6.3. Thủ tục nhập mạng (Attach) ……………………………………………………………..
56
2.6.4. Thủ tục rời mạng ……………………………………………………………………………..
57
2.6.5. Kích hoạt giao thức dữ liệu gói – PDP………………………………………………..
59
2.7. Đặc tính truyền tải và hiệu chỉnh công suất phát ………………………………………..
59
Chương 3: GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI MẠNG GPRS TRONG GSM …………………….
62
3.1. Giải pháp trên mạng Mobifone tiến lên 2.5G……………………………………………..
62
3.1.1. Phần vô tuyến ………………………………………………………………………………….
63
3.1.2. Phần chuyển mạch……………………………………………………………………………
63
3.1.3. Số liệu triển khai mạng Mobifone………………………………………………………
65
3.2. Các ứng dụng của mạng GPRS ………………………………………………………………..
66
Chương 4 Một số kết quả thực nghiệm đưa ra trong quá trình mô phỏng thực tiễn …..
67
4.1. chức năng các khối trong sơ đồ khối …………………………………………………………
67
4.2. Một số kết quả được thực hiện khi truyền qua kênh truyền ………………………….
70
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ………………………………………………………………………………
72
LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………………………………………….
73
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
PHỤ LỤC………………………………………………………………………………………………………..
74
DANH SÁCH CÁC BẢNG……………………………………………………………………………….
74
DANH SÁCH CÁC HÌNH ………………………………………………………………………………..
74
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………………………
76
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………………………
76
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
2snd Generation
2G
Công nghệ thông tin di động thế
hệ 2
2.5G
2.5 Generation
Công nghệ thông tin di động thế
hệ 2.5
π/4DQPSK π/4 Differential Quaternary Phase
Shift Keying
Khoá dịch pha vi phân bốn phần
A
A Interface
Giao diện A giữa MSC và BSC
A-bis
A-bis Interface
Giao diện A-bis giữa BSC và
BTS
APN
Access Point Name
Tên điểm truy nhập
AMPS
Advanced Mobile Phone System
Hệ thống thông tin di động
tương tự phổ biến ở Bắc Mỹ
AN
Access Network
Mạng truy nhập
AUC
Authentication Center
Trung tâm nhận thực
BCH
Broadcast Channel
Kênh quảng bá
BCCH
Broadcast Control Channel
Kênh điều khiển quảng bá
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bit
BG
Border Gateway
Cổng đường biên
BGw
Billing Gateway
Cổng tính cước
BSC
Base Station Controller
Bộ điều khiển trạm gốc
BSS
Base Station Subsystem
Phân hệ trạm gốc
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
BSSGP
BSS GPRS Protocol
Giao thức giao tiếp giữa GPRS
và BSS
BTS
Base Tranceiver Station
Trạm thu phát gốc
CCITT
International Telegraph Telephone
Consultative Committee
Uỷ ban tư vấn quốc tế về điện
thoại và điện báo
CCH
Control Channel
Kênh chung
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo mã
CDR
Call Detail Record
Bản ghi chi tiết cuộc gọi
CRC
Cyclic Redundancy Check
Mã kiểm tra dư thừa vòng
CS
Coding Scheme
Sơ đồ mã hóa
CCS N07
Common Channel Signalling N07
Mạng báo hiệu kênh chung số 7
EIR
Equipment Indentity Resistor
Bộ ghi nhận dạng thiết bị
ETSI
European Telecommunicatión
Standard Institute
Viện tiêu chuẩn viễn thông châu
Âu
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia tần số
FACCH
Fast Associated Control Channel
Kênh điều khiển liên kết nhanh
FCCH
Frequency Correction Channel
Kênh hiệu chỉnh tần số
FR
Full Rate
Kênh toàn tốc
Gb
Gb Interface
Giao diện giữa SGSN và BSC
Gc
Gc Interface
Giao diện giữa GGSN và HLR
Gd
Gd Interface
Giao diện giữa SGSN và SMSC
Gf
Gf Interface
Giao diện giữa SGSN và EIR
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
GGSN
Gateway GPRS Support Node
Nút hỗ trợ GPRS cổng
Gl
Gl Interface
Giao diện giữa GGSN và mạng
dữ liệu bên ngoài
Gn
Gn Interface
Giao diện giữa hai GSN trong
cùng một mạng PLMN
Gp
Gp Interface
Giao diện giữa hai GSN ở hai
mạng PLMN khác nhau
GoS
Grade of Service
Cấp độ dịch vụ
GPRS
General Packet Radio Service
Dịch vụ vô tuyến gói chung
GSM
Group Special Mobile/Global
System Mobile
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
GSN
GPRS Support Node
Nút hỗ trợ GPRS
GTP
GPRS Tunneling Protocol
Giao thức đường hầm GPRS
HLR
Home Location Registor
Bộ ghi định vị thường trú
HO
handOver
Chuyển giao
HR
Half Rate
Kênh bán tốc
HSCSD
High Speed Circuit Switch Data
Truyền số liệu chuyển mạch
kênh tốc độ cao
Ki
Subcriber authentication Key
Khóa nhận thực thuê bao
Kc
Ciphering Key
Khoá mật mã
IMEI
International Mobile Equipment
Indentity
Nhận dạng trạm di động quỗc tế
IMSI
International Mobile Station
Indentity
Nhận dạng trạm di động quốc tế
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
IN
Intelligent Network
Mạng thông minh
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet
ISDN
Integrated Serviced Digital
Network
Mạng số hoá đa dịch vụ
ISP
Internet Service Provicer
Nhà cung cấp dịch vụ Internet
ITU
International Telecommunication
Union
Liên đoàn viễn thông quốc tế
LA
Location Area
Vùng định vị
LAI
Location Area Identity
Nhận dạng vùng định vị
LAN
Local Area Network
Mạng cục bộ
LLC
Logical Link Control
Điều khiển liên kết logic
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập chung
MAP
Medium Application Part
Phần ứng dụng di động
ME
Mobile Equipment
Thiết bị di động
MM
Mobile Management
Quản lý di động
MS
Mobile Station
Trạm di động
MSC
Mobile Switching Center
Trung tâm chuyển mạch di động
OMC
Operation & Maintenance Center
Trung tâm vận hành và khai
thác
OSS
Operation and Support Subsystem
Phân hệ khai thác và hỗ trợ
PACCH
Packet Associated Control
Channel
Kênh điều khiển kết hợp gói
PAGCH
Packet Access Grant Channel
Kênh cung cấp truy cập gói
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
PBCCH
Packet Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá gói
PCCCH
Packet Common Control Channel
Kênh điều khiển chung gói
PCH
Packet Channel
Kênh tìm gọi
PCM
Pulse Code Modulation
Điều chế xung mã
PCU
Packet Control Unit
Đơn vị kiểm soát gói
PDCH
Packet Data Channel
Kênh dữ liệu gói
PDN
Packet Data Network
Mạng dữ liệu gói
PDP
Packet Data Protocol
Giao thức dữ liệu gói
PDTCH
Packet Data Traffic Channel
Kênh lưu lượng dữ liệu gói
PLMN
Public Notification Channel
Kênh thông báo gói
PPCH
Packet Paging Channel
Kênh tìm gọi gói
PPP
Point to Point Protocol
Giao thức điểm điểm
PRACH
Packet Random Access Channel
Kênh truy nhập ngẫu nhiên gói
PSC
Personal Communication Services
Dịch vụ truyền thông cá nhân
PSPDN
Packet Switched Public Data
Network
Mạng dữ liệu công cộng chuyển
mạch gói
PSTN
Public Switched Telephone
Network
Mạng điện thoại công cộng
PTCCH
Packet Timing Advance Control
Channel
Kênh điều khiển đồng bộ gói
P-TMSI
Packet-Temporary Mobile
Subcriber Indentity
Số nhận dạng thuê bao di động
tạm thời gói
QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
RA
Routing Area
Vùng định tuyến
RACH
Random Access Channel
Kênh truy nhập ngẫu nhiên
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RLC
Radio Link Control
Điều khiển liên kết vô tuyến
SACCH
Slow Associated Control Channel
Kênh điều khiển liên kết chậm
SAP
Service Access Point
Điểm truy nhập dịch vụ
SCH
Synchronization Channel
Kênh đồng bộ
SCCP
Signalling Connection Control
Part
Phần điều khiển kết nối báo
hiệu
SDCCH
Stand alone Dedicated Control
Channel
Kênh điều khiển dành riêng
SIM
Subcriber Indentity Module
Module nhận dạng thuê bao
SGSN
Serving GPRS Support Node
Nút hỗ trợ GPRS dịch vụ
SMPP
Short Message Peer to Peer
protocol
Giao thức kết nối SMS điểm
SMS –
IWMSC
Short Message Service
Dịch vụ bản tin ngắn
SMSC
Short Message Service Center
Trung tâm dịch vụ bản tin ngắn
TDM
Time Division Multiplexing
Phân kênh theo thời gian
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
TCH
Traffic Channel
Kênh lưu lượng
TE
Terminal Equiment
Thiết bị đầu cuối
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
TMSI
Temporary Mobile Subcriber
Indentity
nhận thực thuê bao di động tạm
thời
TRAU
Transcoder and Rate Adaptor Unit Khối chuyển đổi mã thích ứng
tốc độ
TRx
Transceiver unit
Khối thu phát
UDP
User datagram Protocol
Giao thức dữ liệu người dùng
Um
Um interface
Giao diện giữa MS và BTS
USDC
US Digital Cellular
Tế bào số ở Úc
VLR
Visitor Location Register
Bộ ghi định vị tạm trú
VPN
Virtual Private Network
Mạng riêng ảo
WAN
Wire Area Network
Mạng diện rộng
WAP
Wireless Application Protocol
Giao thức ứng dụng không dây
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
MỞ ĐẦU
Từ khi ra đời, mạng thông tin di động GSM đã góp phần đáng kể trong việc thúc
đẩy sự phát triển mạnh mẽ của thị trường thông tin di động trên thế giới. Nhưng cũng
như các công nghệ khác, sau gần 20 năm phát triển, thông tin di động thế hệ 2 đã bắt
đầu bộc lộ những khiếm quyết của nó khi nhu cầu dịch vụ truyền số liệu và các dịch vụ
băng rộng ngày càng tăng. Tình trạng phát triển các mạng di động thế hệ thứ hai đã phát
sinh ra một loạt các vấn đề cần phải giải quyết như phổ tần bị hạn chế, chuyển vùng
phức tạp, lãng phí tài nguyên vô tuyến…, nhược điểm cơ bản của của GSM là chuyển
mạch kênh do đó nó không thích ứng được với các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao, sự
lãng phí tài nguyên vô tuyến do một kênh luôn mở ngay cả khi không có lưu lượng
được truyền tải. Sự phát triển của mạng Internet khi đó thông tin di động cũng đòi hỏi
khả năng hỗ trợ truy cập Internet và thực hiện thương mại điện tử di động. Trước tình
hình đó, việc chuyển sang sử dụng hệ thống thông tin di động thế hệ 3 là quá trình tất
yếu. Tuy nhiên cho đến nay chưa thể thực hiện được do việc chi phí quá lớn khi thực
hiện chuyển từ mạng thông tin di động thế hệ 2 sang thế hệ 3 mà cần phải có một thời
gian quá độ có thể chấp nhận được từ phía nhà sản xuất, nhà khai thác và khách hàng.
Đó chính là công nghệ thế hệ 2+ và tiêu biểu cho nó là dịch vụ vô tuyến gói chung
GPRS. GPRS có thể khắc phục được những nhược điểm của mạng GSM đồng thời cho
phép sử dụng cơ sở hạ tầng mạng GSM. Trong mạng GPRS tài nguyên vô tuyến được
sử dụng hiệu quả hơn khi kênh truyền chỉ phải phục vụ khi thực sự có dữ liệu cần phát
hoặc thu. Tốc độ tối đa có thể đạt được theo lý thuyết là 171.2 kbps với điều kiện sử
dụng cả 8 TS và truyền không sửa lỗi.
Khi triển khai GPRS trên cơ sở hạ tầng mạng GSM. Việc nghiên cứu ảnh hưởng khi
triển khai dịch vụ mạng GPRS với dung lượng thoại trên mạng GSM là rất cần thiết và
một số giải pháp thay đổi phù hợp với mạng GPRS.
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
Chương 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG
GSM
1.1. Những đặc thù của thông tin di động
Nói đến thông tin di động là chúng ta nói đến liên lạc thông qua sóng điện từ (vì
vậy chúng ta mới vừa liên lạc vừa di chuyển được, cho tới ngày nay loài người chưa
tìm ra môi trường truyền khác ưu việt hơn so với sóng điện từ). Sóng điện từ mới được
đưa vào sử dụng trong thông tin liên lạc gần 100 năm cho đến gần 30 năm nay thì thông
tin di động mới thực sự phát triển và kết nối toàn thế giới.
Để làm rõ điều này chúng ta thực hiện phép tính như sau: Mỗi cuộc liên lạc giữa
2 người cần một đường truyền độc lập (gọi là kênh vô tuyến), mỗi kênh giả sử có dải
thông 3kHz (3.103 Hz ứng với dải thông của tiếng nói, thực tế dải thông của tiếng nói
nhiều hơn), dải tần số vô tuyến là 3GHz (3.109Hz) chỉ cho phép 3.109/3.103 = 106 người
sử dụng cùng một lúc, vậy làm thế nào để phục vụ hàng chục triệu người sử dụng cùng
một lúc, trong khi dải tần 3GHz còn dùng cho rất nhiều các việc khác như: Phát thanh
truyền hình, trong quân đội, nghiên cứu khoa học…, do đó dải tần dành cho thông tin di
động chỉ là một phần nhỏ.
Một trong các phương pháp để giải quyết vấn đề nhiều người dùng độc lập trên
một dải tần vô tuyến hạn chế đó là: Một cuộc liên lạc di động này có thể sử dụng lại tần
số của một cuộc liên lạc di động khác với điều kiện hai cuộc liên lạc này phải ở đủ xa
nhau về khoảng cách vật lý để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng truyền của hai người
trong cuộc liên lạc, do vậy để thích hợp với việc quản lý một địa bàn có dịch vụ thông
tin di động phải chia nó thành các phần nhỏ, gọi là tế bào. Hai người sử dụng ở tế bào
đủ cách xa nhau có thể sử dụng lại cùng một tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý
của một trạm trung tâm của tế bào, về lý thuyết kích cỡ tế bào là rất nhỏ, công suất thu
phát trong tế bào được khống chế (để không làm phiền đến tế bào khác) do đó có thể
phục vụ vô số người sử dụng di động cùng một lúc trong khi dải tần số vô tuyến bị hạn
chế. Phương pháp này gọi là sử dụng lại tần số bằng cách chia nhỏ vùng phục vụ thành
các tế bào.
Tóm lại những đặc thù cơ bản của thông tin di động là: Phục vụ đa truy cập và
gắn liền với thiết kế mạng tế bào, hệ quả tất yếu liên quan vấn đề này là chống nhiễu,
chuyển giao, quản lý di động, quản lý tài nguyên, những yếu tố này khác rất nhiều so
với thông tin cố định và luôn luôn đòi hỏi những công nghệ mới.
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
1.2. Lịch sử phát triển của thông tin di động
Để tìm hiểu toàn cảnh lịch sử phát triển của thông tin di động chúng ta điểm lại
một số mốc thời gian phát triển của thông tin di động.
Năm 1946 dịch vụ điện thoại di động công cộng được giới thiệu lần đầu tiên tại
25 thành phố ở Mĩ. Mỗi hệ thống dùng một bộ phát công suất lớn đặt trên anten cao phủ
sóng với bán kính 50km, kỹ thuật bán song công “ấn nút để nói chuyện”, với độ rộng
kênh truyền 120kHz (mặc dù băng tần tiếng nói chỉ 3kHz). Đây chưa phải là hệ thống
tế bào vì tần số chưa được sử dụng lại và số người sử dụng ít.
Năm 1950 cũng hệ thống đó nhưng độ rộng kênh được thu hẹp còn 60kHz do đó
số lượng người sử dụng đã tăng gấp đôi.
Đến năm 1960 độ rộng kênh chỉ còn 30kHz.
Những năm 1950-1960 lý thuyết mạng tế bào ra đời (do AT&T đưa ra dự án
điện thoại tế bào đến năm 1968) tuy nhiên công nghệ điện tử lúc đó chưa áp ứng được.
Đến năm 1976: Ra đời dịch vụ thông tin di động cải tiến (AMPS) đánh dấu sự ra
đời điện thoại di động tế bào thế hệ 1. FCC đã phân 40MHz phổ trên khoảng tần
800MHz cho dịch vụ này (ứng với 660 kênh kép hay kênh song công).
Đến năm 1989 FCC phân thêm 10MHz phổ cho hệ thống AMPS. Hệ thống điện
thoại tế bào hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, dùng lại tần số, đa truy cập
phân chia theo tần số (FDMA) để tăng số lượng người sủ dụng.
Tiếp đó năm 1991: ra đời hệ thống tế bào số theo chuẩn tạm thời IS-54 hỗ trợ 3
người sử dụng trên một kênh truyền 30kHz với việc sử dụng kĩ thuật điều chế
П/4DQPSK, với kỹ thuật nén tiếng nói và sử lý tín hiệu ra đời có thể tăng dung lượng
sử dụng lên 6 lần. Kết hợp với kỹ thuật TDMA và hệ thống này tồn tại song song với
AMPS trên cùng cơ sở hạ tầng, đây đựơc gọi là sự ra đời của thông tin di động thế hệ 2.
Cùng năm đó thì hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ được phát triển bởi công ty
Qualcomm tuân theo chuẩn tạm thời IS – 95, nó hỗ trợ nhiều người sử dụng trên 1 dải
tần 1.25MHz sử dụng công nghệ đa truy cập theo mã (CDMA) nếu AMPS yêu cầu
SNR > 18 dB thì CDMA lại yêu cầu SNR thấp hơn lại cho dung lượng cao hơn. Ngoài
ra bộ mã hoá tiếng nói với tốc độ thay đổi có thể phát hiện tiếng nói khi đàm thoại khi
đó sẽ điều khiển bộ phát chỉ phát sóng khi đàm thoại và sẽ làm giảm môi trường giao
thoa và tiết kiệm pin.
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
Do đó vấn đề tích hợp các mạng trong một cơ sở hạ tầng cũng được đặt ra từ đầu
những năm 1990.
Năm 1991 hệ thống thông tin di động GSM ở châu Âu bắt đầu được đưa vào sử
dụng và được biết như hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 đang được phát triển
mạnh và Việt Nam đã chọn hệ di động GSM cho mạng di động quốc gia. Năm 1993
mạng di động Mobifone theo chuẩn GSM được đưa vào hoạt động và khai thác do công
ty VMS quản lý, đến năm 1996 mạng Vinaphone tuân theo chuẩn GSM do công ty
GPC quản lý và khai thác cũng đưa vào hoạt động song song với mạng Mobifone.
Từ năm 1995 chính phủ Mĩ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800/2100MHz hứa
hẹn sự phát triển mới cho các dịch vụ thông tin cá nhân (PCS).
Năm 2000 tổ chức viễn thông quốc tế ITU đã thống nhất một số hướng và chuẩn
hóa.
1.3. Đặc điểm của thông tin di động GSM
Một số khuyến nghị của CCITT cho mạng thông tin di động GSM có những đặc
điểm chính như sau:
–
Có nhiều loại hình dịch vụ chất lượng cao và tiện ích trong thông tin thoại và
số liệu.
Sự tương thích các dịch vụ trong mạng GSM với các dịch vụ của mạng
chuyển mạch công cộng PSTN, mạng số liệu đa dịch vụ ISDN, nhờ các giao
diện đã chuẩn hoá theo một chuẩn chung.
Tự động định vị và cập nhật vị trí.
Độ linh hoạt cao nhờ sử dụng các thiết bị đầu cuối di động khác nhau: Như
máy xách tay, máy gắn trên ô tô, máy cầm tay.
Sử dụng băng tần 900MHz có hiệu quả cao nhờ sự kết hợp cả hai kỹ thuật
TDMA và FDMA.
Dễ dàng thích ứng với nhu cầu ngày càng tăng của dung lượng, dễ nâng cấp
và mở rộng mạng nhờ kế hoạch sử dụng lại tần số.
Tính bảo mật cao, chống lại sự sử dụng trái phép đảm bảo tính cá nhân cho
từng thuê bao.
–
–
–
–
–
–
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
–
Nhảy tần không liên tục chuyển giao bên trong ô và điều chỉnh tự động công
suất phát của BTS và các chức năng để giảm mức nhiễu giao thoa cùng biểu
tượng.
Cấu trúc hệ thống GSM
Hệ thống GSM có cấu trúc tổng quát như hình 1 – 1
1.4.
Hình 1 – 1: Tổng quan hệ thống GSM
Trong đó:
SS: Hệ thống con chuyển mạch
AUC: Trung tâm nhận thực
HLR: Bộ ghi định vị thường trú
VLR: Bộ ghi định vị tạm trú
ISDN
PSPDN
CSPDN
PSTN
PLMN
Um
MS
OSS
SS
AUC
VLR
HLR
MSC
A
BSS
BSC
Abis
BTS
BTS
BTS
EIR
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
MSC: Tổng đài di động
EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị
BSS: Hệ thống con thu phát gốc (phân hệ trạm gốc)
BSC: Bộ điều khiển trạm gốc
BTS: Trạm thu phát gốc
OSS: Hệ thống con khai thác và hỗ trợ
MS: Trạm di động
ISDN: Mạng số đa dịch vụ
PSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo gói
CSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch
PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng
Hệ thống GSM có thể chia thành các hệ thống con như sau
–
–
–
–
Hệ thống con chuyển mạch – SS.
Hệ thống con trạm gốc – BSS.
Hệ thống con khai thác và hỗ trợ – OSS.
Trạm di động – MS.
1.4.1. Cấu trúc và chức năng hệ thống con chuyển mạch – SS
Hệ thống con chuyển mạch bao gồm chức năng chuyển mạch chính của mạng
GSM cũng như việc lưu trữ các cơ sở dữ liệu cần thiết về số liệu và quản lý di động của
thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng
GSM với nhau và với mạng khác. Hệ thống con chuyển mạch gồm có các bộ phận sau:
1.4.1.1. Trung tâm chuyển mạch di động – MSC
MSC thực hiện nhiệm vụ điều khiển, thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng
mạng GSM với nhau và với mạng khác.
Thực hiện giao diện với hệ thống con BSS và giao diện với các mạng ngoài. MSC
thực hiện giao diện với mạng ngoài gọi là MSC cổng (GMSC). Để kết nối MSC với
một số mạng khác cần phải tương thích các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các
mạng khác được gọi là chức năng tương tác IWF (InterWorking Functions). IWF cho
phép GSM kết nối với các mạng ISDN, PSTN, PSPDN, CSPDN, PLMN.
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
1.4.1.2. Bộ ghi định vị thường trú – HLR
HLR lưu trữ mọi thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, kể cả
vị trí hiện thời của MS. HLR thường là một máy tính đứng riêng có khả năng quản lý
hàng trăm nghìn thuê bao nhưng không có khả năng chuyển mạch. Một chức năng nữa
của HLR là nhận dạng thông tin do AUC cung cấp.
1.4.1.3. Bộ ghi định vị tạm trú – VLR
VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nó được nối với một hay nhiều
MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu của các thuê bao hiện đang nằm trong
miền phục vụ của MSC và đồng thời lưu trữ số liệu về vị trí của các thuê bao trên ở
mức độ chính xác hơn HLR. Các chức năng VLR thường được liên kết với MSC.
1.4.1.4. Trung tâm nhận thực – AUC
Trung tâm nhận thực lưu giữ về nhận thực thuê bao, thông qua khóa nhận thực (Ki),
kiểm tra cho tất cả các thuê bao trong mạng. Nó chịu trách nhiệm xử lý nhận thực và
tạo biện pháp bảo mật trong các cuộc gọi. AUC là bộ nhận phần cứng trong HLR, cho
phép bám và ghi lại các cuộc gọi, chống nghe trộm, nó được thay đổi riêng cho từng
thuê bao. Theo yêu cầu của HLR, AUC tạo ra các nhóm chức năng như sau:
–
–
–
Số ngẫu nhiên RAND (Random Number).
Đáp ứng tín hiệu SRES (Signal Response).
Chìa khoá mật mã Kc.
1.4.1.5. Thanh ghi nhận dạng thiết bị – EIR
EIR được nối với một MSC thông qua một đường báo hiệu riêng, nó cho phép MSC
kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị di động, hay EIR lưu trữ thông tin về IMEI và tổ chức
danh sách IMEI như sau.
–
–
–
Danh sách trắng: gồm các IMEI hợp lệ.
Danh sách xám: gồm các IMEI bị mất cắp.
Danh sách đen: gồm các IMEI của các di động bị lỗi hoặc không kết nối được
với mạng GSM hiện tại.
1.4.1.6. Tổng đài di động cổng – GMSC
SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR. Để thiết lập được một cuộc gọi đến người
sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được định đến một tổng đài di động cổng
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
(GMSC) mà không cần biết đến thuê bao đang ở đâu, Các GMSC có nhiệm vụ lấy
thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến đến tổng đài quản lý thuê bao ở điểm hiện
thời (MSC tạm trú). Vì vậy trước hết các GMSC phải dựa trên số danh bạ của thuê bao
để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này. GMSC có một giao diện với các mạng bên
ngoài thông qua giao diện này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối mạng bên ngoài với
mạng GSM. Ngoài ra tổng đài này cũng có hệ thống báo hiệu số 7 (CCS N07) để có thể
tương tác với các phần tử khác của SS. Về phương diện kinh tế không bao giờ tổng đài
di động cổng đứng riêng một mình mà thường kết hợp với MSC.
1.4.1.7. Mạng báo hiệu số 7 – CCS N07
Mạng CCS N07 Phụ thuộc vào quy định của từng nước, một hãng khai thác GSM có
thể có mạng báo hiệu CCS N07 riêng hay chung. Nếu hãng khai thác có mạng báo hiệu
này riêng thì các điểm chuyển báo hiệu có thể là một bộ phận của SS và có thể được
thực hiện ở các điểm nút riêng hay trong cùng một MSC tuỳ thuộc vào hoàn cảnh kinh
tế. Tương tự một nhà khai thác GSM cũng có thể có quyền thực hiện một mảng riêng
để định tuyến các cuộc gọi giữa GMSC và MSC hay thậm chí định tuyến cuộc gọi ra
đến điểm gần nhất trước khi sử dụng mạng cố định. Lúc này các tổng đài quá giang có
thể sẽ là một bộ phận của mạng GSM và được thực hiện khi nó đứng riêng hay kết hợp
với MSC.
1.4.2. Cấu trúc và chức năng của hệ thống con trạm gốc – BSS
Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống con BSS được minh hoạ như hình 1 – 2
1.4.2.1. Bộ điều khiển trạm gốc – BSC
Luång ®iÒu khiÓn
OSS
Luång l−u l−îng
MS
BSS
NSS
Hình 1 – 2: Các giao diện ngoài BSS
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả các giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều
khiển từ xa giữa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh được ấn định, giải
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một phần của BSC nối với các BTS còn
phần kia được nối với MSC. Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng thực
hiện tính toán đáng kể. Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến
và chuyển giao. Một BSC trung bình có thể quản lý được vài chục BTS phụ thuộc vào
lưu lượng của các BTS này. Giao diện giữa BSC với MSC được gọi là giao diện A, còn
giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A bis.
1.4.2.2. Trạm thu phát gốc – BTS
BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thuê bao di động (hay trạm di động –
MS), trao đổi thông tin với MS thông qua giao diện vô tuyến Um. BTS bao gồm các
thiết bị như: Anten thu phát, thiết bị xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Một
BTS có thể gồm một hay vài máy thu phát vô tuyến TRx. BTS dưới sự điều khiển của
một BSC có thể kết nối theo nhiều đường khác nhau. Cơ bản là các cấu hình hình sao,
vòng hoặc chuỗi nhỏ, nhưng cũng có thể kết hợp các cấu hình đó lại với nhau. Cấu hình
BSS thể hiện như hình 1 – 3 và 1 – 4 dưới đây.
MSC
Hình 1 – 3: Cấu hình hình sao
MSC
Hình 1 – 4: Cấu hình vòng hoặc chuỗi nhỏ
BTS
6
BTS
5
BTS4
BTS3
BTS2
BTS1
BSC
BTS3
BTS5
BTS2
BSC
BTS4
BTS1
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
1.4.2.3. Bộ chuyển đổi mã thích ứng tốc độ TRAU
TRAU là thiết bị mà quá trình mã hoá và giải mã đặc thù riêng cho mạng GSM
được tiến hành, ở đây cũng thực hiện việc tương thích tốc độ trong trường hợp truyền
số liệu. Nó kết hợp các đường dữ liệu 13kbps thành đường PCM 64kbps và ngược lại.
TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể đặt nó cách xa BTS và thậm chí
trong nhiều trường hợp nó được đặt giữa BSC và MSC.
1.4.3. Trạm di động – MS
Trạm di động MS gồm 3 loại sau:
–
–
–
Cầm tay.
Xách tay.
Gắn trên ô tô.
Các trạm di động đều gồm có một thiết bị di động ME và một modun nhận dạng
thuê bao SIM.
GSM MS được phân thành 5 loại theo công suất định danh như sau:
Loại 1:
Loại 2:
Loại 3:
Loại 4:
Loại 5:
20W gắn trên xe và xách tay.
8W
5W
2W
0.8W
gắn trên xe và xách tay.
cầm tay.
cầm tay.
cầm tay.
Thiết bị di động – ME: gồm có bàn phím, màn hình hiển thị, giao diện vô tuyến.
Tuy nhiên ME không thể truy cập vào mạng nếu như nó không có SIM Card hợp lệ
(ngoại trừ trường hợp các cuộc gọi báo nguy).
SIM Card: là một modun dùng để gắn vào ME khi thuê bao tham gia vào mạng. Khi
được sử dụng ở ME, SIM đảm bảo các chức năng sau nếu nó nằm trong mạng GSM.
Lưu trữ các thông tin bảo mật liên quan đến thuê bao (như IMSI).
Thực hiện các cơ chế mật như nhận thực và mã hoá bảo mật.
Khai thác PIN người sử dụng (nếu có PIN) và quản lý.
Quản lý các thông tin liên quan đến thuê bao di động.
Khoá luận tốt nghiệp
Đại học công nghệ – ĐHQGHN
1.4.4. Hệ thống con khai thác và hỗ trợ – OSS
1.4.4.1. Chức năng khai thác và bảo dưỡng
Khai thác: Giám sát toàn bộ chất lượng dịch vụ (tải lưu lượng, mức độ nghẽn, số
lượng chuyển giao…) để kịp thời xử lý các sự cố. Khai thác bao gồm cả việc
thay đổi cấu hình để giải quyết các vấn đề hiện tại, để tăng lưu lượng, tăng diện
tích phủ sóng.
Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị, sửa chữa các sự cố và hỏng hóc. Nó
liên quan chặt chẽ với khai thác.
1.4.4.2. Quản lý thuê bao
Bao gồm cả các hoạt động như: Đăng ký thuê bao, nhập thuê bao vào mạng hay loại
bỏ thuê bao ra khỏi mạng. Đăng ký các dịch vụ và các tính năng bổ sung. Một nhiệm vụ
quan trọng khác của quản lý thuê bao là tính cước cuộc gọi. Quản lý thuê bao do HLR
và một số thiết bị OSS chuyên dụng đảm nhiệm. SIM Card đóng vai trò quan trọng
cùng với OSS trong việc quản lý các thuê bao.
Quản lý thiết bị tự động được thực hiện bởi EIR. EIR lưu trữ tất cả các dữ liệu liên
quan đến trạm di động MS. EIR được nối với MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm
tra sự hợp lệ của các thuê bao.
1.5. Cấu hình kênh trên giao diện vô tuyến
Giao diện vô tuyến là giao diện giữa BTS và thuê bao di động (MS). Nó là giao diện
quan trọng nhất, đóng vai trò quyết định đến chất lượng dịch vụ của mạng. Trong mạng
GSM, giao diện vô tuyến sử dụng kết hợp cả hai phương pháp đa truy cập theo tần số
và thời gian (FDMA và TDMA). Trên giao diện vô tuyến người ta đưa ra khái niệm
kênh vật lý và kênh logic.
1.5.1. Kênh vật lý
Hệ thống mạng GSM làm việc trong băng tần hẹp, dải tần dành cho chuẩn GSM từ
890 đến 960 MHz. Băng tần này được chia làm hai phần:
Băng tần lên (Uplink band) với dải tần 890 đến 915 MHz cho các kênh vô tuyến
từ trạm di động đến trạm thu phát gốc.
Băng tần xuống (Downlink band) với dải tần 935 đến 960 MHz cho các kênh vô
tuyến từ trạm thu phát gốc đến trạm di động.
