Mạng gprs/gsm

GPRS/GSM Network 1 Tổng quan Sự quan trọng của việc truyền dữ liệu trong thông tin di động ngày càng tăng, trong khi đó hệ thống thông tin di động GSM được thiết kế chủ yếu để truyền tín hiệu thoại. Những nhu cầu mới mạng di động cần đáp ứng như các dịch vụ dữ liệu (gởi nhận E-mails, WWW) hay truy cập WAP trên nền mạng IP (như mạng Internet). Những dịch vụ này cần đến băng thông và cần thiết các đường truyền số liệu phù hợp mà chuẩn GSM không thể đáp ứng được hoàn toàn, vì tốc độ dữ liệu quá chậm, thời gian kết nối lâu và phức tạp. Hơn nữa chi phí thì đắt vì GSM dựa trên chuyển mạch kênh. Về giao diện vô tuyến, một kênh lưu lượng chỉ cấp đựơc cho một user trong toàn bộ thời gian cuộc gọi, nên việc sử dụng tài nguyên vô tuyến không hiệu quả. Dịch vụ vô tuyến gói đa năng (GPRS - General Packet Radio Service) là một công nghệ kỹ thuật gói, dựa trên GSM. Lợi ích chính của GPRS là nguồn tài nguyên vô tuyến được truy xuất chỉ khi dữ liệu thật sự được gửi đi giữa trạm di động và mạng , được phát triển dựa trên các thành phần của mạng GSM hiện có, vì vậy tiết kiệm được chi phí đồng thời sử dụng được tài nguyên tiết kiệm, giảm nghẽn mạch (chi phí để nâng cấp mạng GSM lên GPRS chỉ bằng 1/10 chi phí nâng cấp từ mạng GSM lên GPRS). Hơn nữa, GPRS còn nâng cao được chất lượng dịch vụ dữ liệu, tăng độ tin cậy. GPRS áp dụng nguyên tắc gói vô tuyến để truyền gói dữ liệu hiệu quả hơn giữa trạm di động GSM và mạng dữ liệu gói bên ngoài. Chuyển mạch gói chia dữ liệu ra thành các gói nhỏ rồi truyền riêng rẽ sau đó tập hợp lại ở phía thu. Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ tối đa hơn 100kbit/s. Tuy nhiên đây là tốc độ đỉnh, nếu nhiều người cùng sử dụng thì tốc độ bit sẽ thấp hơn. 2 Các kiểu chuyển mạch 2.1. Chuyển mạch kênh: Đối với việc truyền đạt thông tin qua chuyển mạch kênh, mạng thiết lập một kết nối bằng cách cấp phát cho MS một kênh vô tuyến. Khi dữ liệu được truyền dẫn qua mạng. Ngay cả khi chỉ một lượng nhỏ dữ liệu được truyền, kênh vô tuyến cũng bị chiếm giữ trong suốt thời gian kết nối. User phải trả chi phí cho toàn bộ thời gian kết nối. 2.2. Chuyển mạch gói: Đối với việc truyền đạt thông tin qua chuyển mạch gói, mạng chỉ cấp phát gói dữ liệu khi có nhu cầu. Vì thế, một kênh vô tuyến được chia sẻ giữa nhiều MS đồng thời. Thêm vào đó, 1 MS có thể sử dụng 8 khe thời gian. Khi MS tạo một gói dữ liệu, mạng gửi gói dữ liệu này đến đúng địa chỉ trên kênh vô tuyến rỗi đầu tiên. Vì luồng dữ liệu bao gồm nhiều cụm dữ liệu, nên kênh vô tuyến được sử dụng rất hiệu quả. 2.3. Đặc điểm của hệ thống GPRS: Trong khi hệ thống GSM sử dụng chuyển mạch kênh để truyền thoại, thì hệ thống GPRS sử dụng chuyển mạch gói, nhưng đều theo chuẩn GSM. Khi một bản tin được truyền đi, nó được chia thành nhiều gói. Khi những gói này đến chỗ thu nó được tập hợp lại cho ra bản tin ban đầu. Tất cả các gói này đều được lưu trong bộ đệm dữ liệu. Những gói dữ liệu từ MS có thể dùng nhiều kênh vô tuyến khác nhau trong suốt quá trình truyền. MS trong hệ thống GPRS có thể chỉ được dùng cho chuyển mạch kênh, hoặc cho cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. 3 Kiến trúc mạng GPRS Vì lúc đầu GSM được thiết kế cho lưu lượng chuyển mạch kênh, nên việc đưa dịch vụ chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết bị cho mạng cũng như nâng cấp các phần mềm tương ứng. Mạng GPRS kết nối với các mạng số liệu công cộng như IP và mạng X.25 Dữ liệu trên mạng cung cấp sự vận chuyển dữ liệu gói ở tốc độ 9.6kbps đến 171kbps. Hơn nữa nhiều user có thể chia sẻ cùng nguồn tài nguyên vô tuyến. Những thay đổi trong mạng GPRS có thể được tóm tắt trong bảng sau: Thành phần của mạng GSM Những thay đổi và nâng cấp trong mạng GPRS TE (terminal equipment) Toàn bộ thiết bị đầu cuối thuê bao phải mới để truy xuất dịch vụ GPRS, những thiết bị này phải tương thích với mạng GSM. BTS (Base Transceiver Station) Nâng cấp phần mềm BSC (Base Station Controller) Nâng cấp phần mềm và thiết lập thiết bị phần cứng mới gọi là PCU (Packet Control Unit). PCU dẫn lưu lượng dữ liệu đến mạng GPRS và là một thành phần của BSC Core Network Sự phát triển lên GPRS đòi hỏi nhiều thành phần mới Các cơ sở dữ liệu (VLR, HLR..) Tất cả các cơ sở dữ liệu trong mạng đều phải nâng cấp phần mềm để xử lý các chức năng và mô hình mới trong GPRS 3.1. TE Thuật ngữ “terminal equipment” dùng để chỉ các loại điện thoại di động và các trạm di động khác nhau có thể sử dụng trong mạng GPRS. Một TE GPRS có thể là một trong ba lớp A, B, C. - Lớp A hỗ trợ các dịch vụ GSM và GPRS (như SMS và thoại) đồng thời. Sự hỗ trợ này gồm truy nhập, giám sát, lưu lượng. - Lớp B có thể đăng ký với mạng cho cả dịch vụ GPRS và GSM. Nhưng ngược với lớp A nó chỉ được sử dụng một trong hai dịch vụ tại thời điểm được cho. MS có thể tạm ngừng chuyển gói cho kết nối chuyển mạch kênh hoàn toàn và sau đó lại tiếp tục. - Lớp C hỗ trợ truy nhập không đồng thời. User phải chọn dịch vụ để kết nối. Vì thế một user ở lớp C chỉ có thể hoạt động ở một dịch vụ đã được chọn trước bằng nhân công (hoặc mặc định), còn dịch vụ không được chọn thì không thể truy nhập được (trừ SMS có thể nhận gửi bất cứ lúc nào). Một user chỉ hỗ trợ cho GPRS và không lưu lượng chuyển mạch kênh sẽ luôn luôn làm việc trong lớp C. 3.2. GPRS BSS BSS gồm BSC (Base Station Controller) và BTS (Base Transceiver Station). Mỗi BSC yêu cầu thiết lập một hay nhiều PCU và nâng cấp phần mềm.PCU cung cấp giao diện dữ liệu vật lý và logic ngoài trạm gốc (BSS) cho lưu lượng dữ liệu gói. BTS cũng yêu cầu nâng cấp phần mềm, nhưng không cần thay đổi phần cứng. BSC cung cấp các chức năng của kênh vô tuyến có liên quan. BSC có thể thiết lập, giám sát, ngắt kết nối cuộc gọi chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Nó là một chuyển mạch dung lượng cao cung cấp nhiều chức năng như : chuyển giao, ấn định kênh. Một MSC phục vụ một hay nhiều BSC. Khi cả lưu lượng thoại và dữ liệu bắt nguồn từ một thiết bị đầu cuối thuê bao, thì nó được chuyển qua BTS và từ BTS đến BSC theo như chuẩn GSM. Tuy nhiên ở ngõ ra của BSC dữ liệu được tách ra, thoại được gửi đến trung tâm chuyển mạch di động (MSC) theo chuẩn GSM còn dữ liệu được gửi đến thiết bị mới là SGSN, ngang qua PCU thông qua giao tiếp frame relay. 3.3. MSC (Mobile Services Switching Center) MSC thực hiện chức năng chuyển mạch mạch trong GSM, SGSN chuyển mạch gói. MSC điều khiển các cuộc gọi đến và đi từ các điện thoại khác hoặc các hệ thống dữ liệu, như mạng PSTN, mạng ISDN, PLMN và một mạng riêng khác. Vùng định tuyến SGSN (RA) là một phần con của vùng định vị của MSC (LA). Một MSC LA là một nhóm các tế bào BSS. Hệ thống sử dụng LA để tìm thuê bao đang hoạt động. Một LA là một phần của mạng mà MS có thể di chuyển mà không cập nhật vị trí. Có thể có nhiều MSC tương ứng với một SGSN. Một MSC có thể được kết nối với nhiều SGSN tùy thuộc vào lưu lượng thực tế. 3.4. GMSC (Gateway Mobile Services Switching Center) GMSC thì giống GMSC trong GSM. Nó chuyển mạch kênh các cuộc gọi giữa GSM và PSTN, mạng điện thoại cố định, vì thế nó hỗ trợ chức năng định tuyến các cuộc gọi đến MSC nơi mà thuê bao đăng ký. 3.5. HLR (Home Location Register) Là nơi lưu trữ thông tin của thuê bao di động. Thông tin này bao gồm dịch vụ bổ sung, các tham số nhận thực, tên điểm truy xuất (APN), … và cả vị trí của MS. Đối với GPRS, thông tin thuê bao thay đổi giữa HLR và SGSN. Bộ ba nhận thực trong GPRS được lấy trực tiếp từ HLR đến SGSN chứ không qua MSC/VLR như trong CS GSM. Thông tin đến từ HLR đến SGSN được thiết lập bởi nhà khai thác của thuê bao. Thông tin này được chuyển đi khi người khai thác thay đổi thông tin của thuê bao, hoặc khi một SGSN cần thông tin về thuê bao sau khi đăng nhập hoặc roaming. SGSN cũ cũng được thông báo về roaming. 3.6. VLR (Visitor Location Register) VLR chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang định vị trong MSC hoặc SGSN. SGSN chứa các chức năng VLR cho chuyển mạch gói. Tương tự, VLR chuyển mạch kênh là một thành phần tương thích của MSC. VLR chứa thông tin thuê bao tạm thời mà MSC và SGSN cần để cung cấp các dịch vụ cho thuê bao. Khi một MS roam đến một MSC mới hoặc vùng định tuyến SGSN, VLR của MSC hoặc SGSN đó yêu cầu và lưu trữ dữ liệu về MS từ HLR. Nếu MS thực hiện một cuộc khác vào lúc khác, thông tin cần thiết để thiết lập cuộc gọi đã sẵn sàng. GPRS VLR gồm phần mềm trong SGSN. VLR chứa thông tin về SGSN đang được sử dụng. Đối với hệ thống GPRS, trực tiếp HLR thay vì (CS) MSC/VLR được dùng cho thủ tục nhận thực của MS. Vì thế, SGSN đạt được bộ ba nhận thực từ HLR. 3.7. Mạng lõi Trong mạng lõi, các MSC dựa trên kỹ thuật chuyển mạch kênh không xử lý được lưu lượng gói. Vì thế có hai thành phần mới được thêm vào là GGSN và SGSN (GSNs). GSNs cấp phát và định tuyến gói dữ liệu giữa MS và PDN (Packet Data Network) đồng thời thu thập thông tin về việc sử dụng tài nguyên GPRS. SGSN: SGSN chịu trách nhiệm phân phối gói dữ liệu đến và đi từ trạm di động trong vùng phục vụ của nó. Nhiệm vụ của nó bao gồm luôn cả quản lý di động , quản lý định tuyến và truyền gói, quản lý liên kết logic và chức năng nhận thực và tính cước. Thanh ghi vị trí của SGSN lưu trữ thông tin như vị trí cell, VLR hiện tại và dữ liệu cá nhân của user (IMSI, địa chỉ sử dụng trong mạng dữ liệu gói) của tất cả các user GPRS đăng ký với SGSN này.Có thể coi SGSN là MSC chuyển mạch gói. Nó gửi các gói IP được đánh địa chỉ đến / đi đến MS được đăng nhập trong vùng phục vụ của SGSN. Một thuê bao GPRS có thể được phục vụ bởi bất cứ SGSN nào trong mạng tất cả tùy thuộc vào vị trí. Lưu lượng được định tuyến từ SGSN đến BSC, ngang qua BTS đến MS. GGSN: đóng vai trò như một giao tiếp giữa mạng xương sống GPRS và mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó chuyển đổi gói đến từ SGSN vào dạng giao thức gói thích hợp (như IP hoặc X.25) và gửi chúng đến mạng gói tương ứng. Ơ hướng khác, địa chỉ PDP của gói dữ liệu đang đến được biến đổi thành địa chỉ GSM của user nơi đến. Gói dữ liệu đã đánh địa chỉ lại được gửi đến SGSN quản lý nó. Vì mục đích này, GGSN lưu trữ địa chỉ SGSN hiện tại và thông tin cá nhân của user trong khi đăng ký vị trí. GGSN cũng thực hiện chức năng nhận thực và tính cước. Thường có mối quan hệ nhiều – nhiều giữa SGSN và GGSN. Một GGSN là giao tiếp với mạng dữ liệu gói bên ngoài của nhiều SGSN. Một SGSN có thể định tuyến gói của nó qua nhiều GGSN khác nhau để đến các mạng dữ liệu gói khác nhau. Giao tiếp Gb kết nối giữa BSC với SGSN. Qua giao tiếp Gn và Gp, dữ liệu user và dữ liệu báo hiệu được truyền dẫn giữa các GSNs. Giao tiếp Gn sẽ được dùng nếu SGSN định vị trong cùng một mạng PLMN, trong khi giao tiếp Gp được dùng nếu trong các mạng PLMN khác nhau. Tất cả GNSs được kết nối qua mạng xương sống GPRS dựa trên IP. Trong mạng này, GSNs đóng gói PDN và truyền dẫn chúng dùng GPRS Tunneling Protocol GPT. Có hai loại mạng xương sống GPRS: · Intra – PLMN: kết nối các GSNs của cùng một mạng PLMN. · Inter – PLMN: kết nối các GSNs của các mạng PLMN khác nhau. Cần phải có sự chấp nhận roaming giữa hai nhà cung cấp mạng để thiết lập mạng này. SGSN chịu trách nhiệm phân phối gói dữ liệu đến và đi từ trạm di động trong vùng phục vụ của nó. Nhiệm vụ của nó bao gồm luôn cả quản lý di động, quản lý định tuyến và truyền gói, quản lý liên kết logic và chức năng nhận thực và tính cước. Thanh ghi vị trí của SGSN lưu trữ thông tin như vị trí cell, VLR hiện tại và dữ liệu cá nhân của user (IMSI, địa chỉ sử dụng trong mạng dữ liệu gói) của tất cả các user GPRS đăng ký với SGSN này. PLMN1 Packet data network Inter-PLMN GPRS backbone Intra-PLMN GPRS backbone Intra-PLMN GPRS backbone Border Gateway Border Gateway GGSNGGSNSGSN BTS BTS BSC BSC PLMN2 Router Host MS SGSN SGSN LAN Hình trên chỉ hai mạng intra – PLMN kết nối với một inter – PLMN. Cổng giao tiếp giữa PLMN và inter – PLMN được gọi là border gateway. Nó thực hiện chức năng an toàn để bảo vệ mạng intra – PLMN trước các user không được nhận thực. Giao tiếp Gn và Gp cũng được định nghĩa giữa các SGSNs. Nó cho phép SGSN trao đổi hồ sơ của user khi MS di chuyển từ một vùng SGSN này đến vùng SGSN khác. Giao tiếp Gi kết nối PLMN với PDN riêng hoặc công cộng, như mạng Internet. Giao tiếp với IP (IPv4 và IPv6) và mạng X.25. HLR lưu trữ hồ sơ user, địa chỉ SGSN hiện tại, và địa chỉ PDP cho mỗi user GPRS trong PLMN. Giao tiếp Gr được dùng để trao đổi thông tin giữa HLR và SGSN. Ví dụ, SGSN thông báo với HLR về vị trí hiện tại của MS. Khi MS đăng ký với một SGSN mới, HLR sẽ gửi hồ sơ user cho SGSN này. GGSN dùng đường báo hiệu giữa GGSN và HLR (giao tiếp Gc) để cập nhật thanh ghi vị trí của nó. Có thể kết hợp các thủ tục attachment và cập nhật vị trí của GSM và GPRS. Hơn nữa, bản tin tìm gọi của chuyển mạch kênh GSM có thể thực hiện ngang qua SGSN. Vì thế, giao tiếp Gs kết nối cơ sở dữ liệu của SGSN và MSC/VLR. 4 Mã hoá Kênh Trong GPRS Tùy thuộc vào môi trường vô tuyến, có thể sử dụng một trong bốn kiểu mã hóa (CS1, CS2, CS3, CS4), GSM chỉ sử dụng CS1. CS1 và CS2 phát hiện và sữa lỗi tốt với dung lượng thấp, trong bước đầu của GPRS chỉ một trong hai kiểu mã hóa này được dùng. CS3 và CS4 cung cấp dung lượng cao hơn nhưng khả năng sữa được lỗi ít hơn. rate 1/2 convolutional coding puncturing 456 bits USF BCS Radio Block Caáu truùc khoái voâ tuyeán cuûa CS1 ñeán CS3 block code no coding 456 bits USF BCS Radio Block Cấu trúc khối vô tuyến của CS4 Trong mã chập sử dụng tỉ lệ mã (R) nhỏ thì từ mã càng dài, việc phát hiện và sữa lỗi càng dễ dàng hơn nhưng phải truyền nhiều bit hơn làm cho tốc độ bit cao hơn Trong GSM sử dụng mã chập với R= ½ , còn trong GPRS R có thể thay đổi được, nên tốc độ cao hơn. Tốc độ dữ liệu của GPRS Kiểu mã hóa Tiền mã hóa (USF) Bit thông tin Bit chẵn lẻ Bit đuôi Ngõ ra mã chập Bit punctur ed Tỷ lệ mã Tốc độ dữ liệu CS-1 3 181 40 4 456 0 1/2 9.05 CS-2 6 268 16 4 588 132 2/3 13.4 CS-3 6 312 16 4 676 220 3/4 15.6 CS-4 12 428 16 - 456 - 1 21.4 Ví dụ CS2: 271 bit thông tin (gồm cả 3 bit cờ hướng lên (USF)), 16 bit chẵn lẻ, 3 bit tiền mã hoá và 4 bit đuôi được thêm vào cuối của khối. Dùng mã chập có đa thức tạo mã g(1) (D) = 1 + D3 + D4 g(2) (D) = 1 + D + D3 + D4 D là toán tử trễ. Ở ngõ ra của bộ mã chập, một từ mã v(D) = (v(0)(D),v(1)(D)) chiều dài 588 bit. Chuỗi bit liên tiếp ở ngõ ra được xác định bằng v(1)(D) = u(D).g(1)(D) và v(2)(D) = u(D).g(2)(D). sau mã hóa, 132 bit là punctured, dẫn đến từ mã có độ dài là 456 bit. Và tỷ lệ mã chập là 3 2 456 4316271 = +++ =R 5 Điều chế số Trong GSM dùng điều chế bốn mức (GMSK) còn trong GPRS dùng điều chế tám mức. Điều chế càng nhiều mức thì càng dễ phân biệt lỗi.Nhưng khi số mức lớn thì BER tăng, chất lượng kém. Từ đồ thị ta thấy, với cùng mức tín hiệu thu được, BER của điều chế càng nhiều mức thì càng lớn. Vậy muốn tăng tốc độ truyền (tăng mức) mà BER không tăng thì phải tăng công suất phát. Trong GPRS nếu tăng công suất phát ở cả hai hướng thì MS mau hết pin. Để giải quyết vấn đề này, người ta chỉ tăng công suất phát cho hướng xuống (tăng mức điều chế) dùng 8PSK, còn hướng lên vẫn giữ nguyên GMSK, dẫn đến phần giải điều chế trong GSM và GPRS cũng khác nhau. 6 Quản Lý Phiên, Quản Lý Di Động Trong phần này, chúng ta tìm hiểu xem làm thế nào một trạm di động (MS) đăng ký với mạng và được nhận biết bởi mạng ngoài. 1. Các thủ tục attachment và detachment Trước khi một MS sử dụng dịch vụ của GPRS nó phải đăng ký với một SGSN của GPRS. Mạng kiểm tra các thông số nhận thực của thuê bao , copy dữ liệu cá nhân của thuê bao từ HLR đến SGSN và gán cho user một số nhận dạng thuê bao di động gói tạm thời (P-TMSI). Thủ tục này gọi là GPRS attach. Đối với trạm di động sử dụng cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói thì có thể kết hợp cả hai thủ tục GPRS/IMSI attach. Việc ngắt kết nối với mạng GPRS gọi là GPRS detach, có thể thực hiện bởi MS hoặc mạng (SGSN và HLR). BER 8PS K 4PS K 2PS K S/N identification response 8. attach Accept 7h. Location updating Accept 9. attach complete 10. TMSI realocation complete 7d. Cancel Location ACK 7e. Insert subscriber data 7f. Insert subscriber data ACK 7h. Update Location ACK 7c. Cancel Location 7b. Update Location 7a. Location updating request 6e. Insert subscriber data ACK 6d. Insert subscriber data 6f. Update Location ACK 6b. Cancel Location 6c. Cancel Location ACK 6a. Update Location 5. IMEI check 4. authentication 3. identity response 3. identity request 2. identification request 1. attach Request MS BSS newSGSN oldSGSN SGSN EIR newMSC/VLR HLR oldMSC/VLR 2. Quản lý phiên: Để trao đổi dữ liệu gói với mạng PDN (Packet Data Network) sau khi GPRS attach thành công, một MS phải dùng một hay nhiều địa chỉ sử dụng trong PDN, chẳng hạn địa chỉ IP trong trường hợp mạng ngoài là mạng IP, địa chỉ này được gọi là địa chỉ PDP (Packet Data Protocol Address). Một PDP context được tạo ra, nó mô tả đặc điểm của phiên và chứa loại PDP (chẳng hạn IPv4). Địa chỉ PDP được gán cho MS (ví dụ 129.187.222.10), chất lượng dịch vụ được yêu cầu QoS và địa chỉ của GGSN mà phục vụ như là điểm truy xuất đến PDN. Context này được lưu trữ trong MS, SGSN và GGSN. Với một PDP context động, trạm di động “có thể thấy được” đối với trạm PDN ngoài và có thể gửi hoặc nhận dữ liệu. Việc gắn giữa hai địa chỉ PDP và IMSI làm cho GGSN chuyển được dữ liệu giữa PDP và MS. Một user có thể có nhiều PDP context hoạt động đồng thời tại một thời điểm. Việc cấp phát địa chỉ PDP có thể tĩnh hay động. Trong trường hợp cấp phát tĩnh, nhà khai thác mạng nhà PLMN của user gán một địa chỉ PDP tạm thời cho user. Ở trường hợp cấp phát động, một địa chỉ PDP được gán cho user trên một PDP context đang hoạt động. Địa chỉ PDP có thể được gán bởi nhà khai thác mạng nhà PLMN của user hoặc nhà khai thác mạng khách. Nhà khai thác mạng nhà sẽ quyết định chọn khả năng nào. Trong trường hợp gán địa chỉ động, GGSN chịu trách nhiệm cấp phát địa chỉ PDP. 4. IMSI Detach Indication 5. GPRS Detach indication 3. Delete PDP Context Respone MS BSS SGSN GGSN MSC/VLR 1. Detach request 2. Delete PDP context request 6. Detach Accept MS Detach 4. GPRS Detach Indication 3. Delete PDP Context Respone MS BSS SGSN GGSN MSC/VLR 1. Detach request 2. Delete PDP Context request 5. Detach Accept Network Detach GPRS cũng hỗ trợ việc bảo mật thông tin , khi đó user phải đăng ký dịch vụ trả trước và trong trường hợp này chỉ dùng cấp phát địa chỉ động. 7 Quản lý vị trí Một MS trong GPRS có ba trạng thái hoạt động: rỗi, chờ và sẵn sàng (trong GSM chỉ có 2 trạng thái rỗi và sẵn sàng) . Dữ liệu chỉ được truyền giữa một MS và mạng GPRS khi MS trong trạng thái sẵn sàng. Ở trạng thái này, SGSN biết được vị trí cell của MS. Còn trong trạng thái chờ chỉ biết được vùng định tuyến của MS (vùng định tuyến có thể gồm một hay nhiều cell). Khi SGSN gửi một gói đến MS đang trong trạng thái chờ, MS phải được tìm gọi. Bởi vì SGSN biết vùng định tuyến của MS, một bản tin tìm gọi gói được gửi đến vùng định tuyến đó. Sau khi nhận được bản tin này, MS báovị trí cell đến SGSN để thiết lập trạng thái sẵn sàng. Việc truyền gói đến MS đã sẵn sàng được bắt đầu bằng bản tin thông báo với MS gói dữ liệu đang đến. Dữ liệu được truyền ngay lập tức sau khi gói tìm gọi này đi qua kênh chỉ bởi bản tin tìm gọi. Mục đích của bản tin tìm gọi này là làm đơn giản quá trình nhận gói. MS chỉ phải lắng nghe một bản tin tìm gọi, thay vì tất cả các gói dữ liệu trong các kênh xuống, giảm được nguồn pin một cách đáng kể. Khi một MS có gói cần truyền đi, phải truy xuất đến kênh lên. Kênh lên được sử dụng bởi nhiều MS, và việc sử dụng nó được chỉ định bởi một BSS. MS yêu cầu sử dụng kênh trong bản tin truy xuất ngẫu nhiên gói. BSS cấp một kênh chưa được sử dụng cho MS và gửi bản tin chấp nhận truy xuất gói cho MS. Dữ liệu sẽ được truyền trên kênh đã được chọn . Việc sử dụng trạng thái chờ giảm được lượng tải trong mạng GPRS và nguồn pin ở MS. Khi MS ở trạng thái chờ, nó không cần thông báo cho SGSN sự thay đổi của cell - chỉ thông báo khi thay đổi vùng định tuyến. Nhà khai thác quyết định phạm vi của vùng định tuyến và làm cho số lượng bản tin cập nhật định tuyến thích hợp. 8 Nguyên tắc quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến và đa truy xuất Giống GSM, GPRS sử dụng phương pháp đa truy xuất phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy xuất phân chia theo tần số (FDMA). - dãi tần từ 890 - 915Mhz cho truyền dẫn hướng lên (từ MS đến BTS) - dãi tần từ 935 - 960Mhz cho truyền dẫn hướng xuống (từ BTS đến MS) Mỗi dãi tần 25Mhz này được chia làm 124 khoảng nhỏ, mỗi khoảng nhỏ có độ rộng là 200khz. Một khoảng hướng lên hợp với một khoảng hướng xuống tương ứng gọi là một kênh tần số. Khoảng cách giữa hai tần số trong một kênh là 45Mhz. Một BTS được cấp phát một số kênh. Mỗi kênh tần số được chia làm 8 khe thời gian. Một trạm di động GSM dùng một khe thời gian cho cả hướng lên và hướng xuống. Còn GPRS cho phép mỗi trạm di động truyền dẫn nhiều khe thời gian trong một khung TDMA.Về lý thuyết thì tốc độ cực đại trong truyền dữ liệu ở GPRS là 172.2kbps khi user dùng 8 khe thời gian trong điều kiện tối ưu (thực tế không đạt được). Hơn nữa hướng lên và hướng xuống được cấp phát không đối xứng, phù hợp với nhu cầu thực tế trong việc truy cập Internet là thuê bao cần tốc độ cao để tải dữ liệu về … Ví dụ, một thiết bị GPRS có thể xử lý 4 khe thời gian cho hướng xuống và 2 khe thời gian cho hướng lên. Trong điều kiện vô tuyến tốt, tốc độ có thể đạt 50kbps ở hướng xuống và 20kbps ở hướng lên. Trong GSM, một kênh được cấp phát tạm thời cho một user trong toàn bộ thời gian cuộc gọi (dù dữ liệu có thực sự được truyền hay không). Ngược lại, trong GPRS kênh chỉ thực sự được cấp phát khi gói dữ liệu được gửi hoặc nhận, và được giải phóng ngay khi truyền dẫn xong. Vì thế việc sử dụng tài nguyên rất hiệu quả và linh động, nhiều user có thể chia sẻ cùng một kênh vật lý. 9 Kênh logic trong GPRS Dựa trên kênh vật lý, các kênh logic được định nghĩa để thực hiện các chức năng như báo hiệu, quảng bá, đồng bộ, phân kênh, tìm gọi… Tương tự GSM, có thể chia làm hai loại: kênh lưu lượng và kênh báo hiệu. · PDTCH (packet data traffic channel): truyền dữ liệu user. Nó được ấn định cho một MS. Một MS có thể sử dụng nhiều PDTCH đồng thời. · PBCCH (packet broadcast control channel): là kênh báo hiệu điểm – đa điểm một chiều từ BSS đến MS. BSS dùng PBCCH để quảng bá thông tin vể tổ chức mạng vô tuyến GPRS đến tất cả các MS trong một cell. Ngoài ra, nó còn quảng bá các thông tin hệ thống về dịch vụ chuyển mạch kênh, để MS của GSM/GPRS không cần phải lắng nghe kênh BCCH. · PCCCH (pachet common control channel): kênh báo hiệu hai chiều điểm – đa điểm vận chuyển thông tin báo hiệu về quản lý truy xuất mạng như việc cấp phát tài nguyên vô tuyến và tìm gọi. Nó gồm 4 kênh con: 1. PRACH (pachet random access channel): được MS dùng để yêu cầu PDTCH. 2. PAGCH (pachet access grant channel): dùng để cấp phát PDTCH cho MS. 3. PPCH (packet paging channel): BSS dùng để tìm vị trí của một MS (tìm gọi) trước khi truyền gói hướng xuống. 4. PNCH (pachet notification channel): báo cho MS bản tin PTM đang đến. · Kênh điều khiển dành riêng là kênh báo hiệu hai hướng điểm – điểm. Nó chứa kênh PACCH và PTCCH. 1. PACCH (packet associated control channel): luôn luôn được cấp phát kết hợp với một hay nhiều PDTCH được phân cho một MS. Nó vận chuyển thông tin báo hiệu đến một trạm MS riêng (ví dụ thông tin điều khiển công suất). 2. PTCCH (packet timing advance control channel): dùng để đồng bộ khung. Việc phối hợp giữa kênh lôgic chuyển mạch kênh và kênh logic chuyển mạch gói rất quan trọng. Nếu PCCCH không có sẵn trong một cell, một MS dùng kênh điều khiển chung (CCCH) của mạng GSM để bắt đầu truyền gói. Hơn nữa, nếu PBCCH không có sẵn, nó sẽ lắng nghe kênh quảng bá (BCCH) để được thông báo về mạng vô tuyến. Hình này mô tả nguyên tắc cấp phát kênh. Một MS yêu cầu truyền dẫn hướng lên bằng cách gửi một “pachet channel request” trên PRACH hay RACH. Mạng trả lời trên PDCH hay AGCH tương ứng. Nó báo cho MS kênh PDCH nào có thể dùng được. Một cờ trạng thái hướng lên (USF) được truyền trên đường xuống để báo cho MS liệu có kênh lên nào rảnh không. PRAGCH or AGCH PRACH or RACH PACCH PACCH Packet channel request Packet immediate assignment Packet resourse assignment Packet resourse request GPRS IP Conectivity 1 Tổng quan Kiến trúc kết nối của GPRS GPRS tận dụng các thành phần của mạng GSM có sẵn, nhưng để hiệu quả trong việc xây dựng mạng di động trên nền chuyển mạch gói GPRS cần một số thành phần, giao diện, giao thức mới. Cấu trúc của hệ thống mạng GPRS được xây dựng song song với mạng GSM có sẵn. Thành phần BTS phân thành đường truyền thoại và đường truyền dữ liệu. Đường truyền thoại được đưa đến bởi mạng GSM trên nền ISDN truyền thống, trong khi đó đường truyền dữ liệu được gởi thông qua qua mạng IP. Có hai thành phần mới trong hệ thống GPRS là SGSN (Serving GPRS Support Node) và GGSN (Gateway GPRS Support Node). Mạng GPRS chỉ kết nối với mạng GSM ở phần BSC và ở các đường kết nối báo hiệu (phần Gs, Gr và Gc). SGSN cũng như GGSN được tóm gọn trong khái niệm tổng quát hơn là GSN (GPRS Support Node) – thành phần hỗ trợ GPRS. Hình 1 trình bày các kết nối thông tin trong GPRS, các thành phần trong GSM như MSC/VLR – BSS và MSC – HLR không được trình bày ở đây. Hình 1: Kết nối giữa các GSN trong GPRS Tách rời thành phần mạng lõi trên được 2 thành phần nối với GSN là: - Mạng quản lý: điều hành, duy trì và tính cước, ... - Mạng dịch vụ: thành phần cung cấp dịch vụ Internet. GPRS Internal Backbone là: - Mạng dùng router giữa các GSN hay kết nối các GSN với nhau khi router là một thành phần nằm trong GSN. - Mạng quản lý. GSN luôn có chứa router (bộ định tuyến) hoặc có thể các router độc lập ở giữa các GSN trong mạng xương sống GPRS. Một thành phần có chức năng chuyển mạch cho DCE cũng cần phải có giữa các GSN. Hình 2 là ví dụ của mạng xương sống GPRS; Boder Gateway (BG) - cổng phân cách trong GGSN được dùng với các GSN trong các mạng PLMN khác nhau. ATM ATM ATM Switch GGSNBG Switch SGSNR WWW MAIL Ethernet GGSNBG NTP DNS EGT Billing NTP DNS EGT Billing Management LAN Hình 2: Mạng xương sống của GPRS 2 Chức năng kết nối IP của GPRS Chức năng này cung cấp: - Sự liên lạc giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống GPRS bao gồm các trạm di động MS, SGSN, GGSN, các host, các thành phần cung cấp dịch vụ Internet, ... - Kết nối với Internet. Trong thông tin liên lạc dựa trên nền IP tiêu biểu có hai dạng liên lạc khác nhau là: - Liên lạc IP trong mạng GPRS dành cho báo hiệu, quản lý, ... - Liên lạc IP giữa các người dùng Một ví dụ của chức năng thứ hai là sự liên lạc giữa trạm di động GPRS (GPRS MS) và ISP. Hệ thống GPRS cung cấp kết nối IP giữa các MS (Mobile Station) và IH (Internet service Host) sử dụng theo chuẩn GSM. Dữ liệu truyền đi dựa trên giao thức internet tức là các gói dữ liệu truyền đi từ đầu cuối này đến đầu cuối kia (end- to-end), cả truyền trên giao diện vô tuyến.Nhìn từ phía người sử dụng, để kết nối với Internet cần phải có modem, MS đóng vai trò như một modem trong hệ thống thông tin di động GPRS. Một điều cần thiết khác trong sự liên lạc theo chuẩn IP là mỗi thiết bị trong mạng cần có một địa chỉ IP để phân biệt với các thiết bị khác. Đối với hệ thống GPRS, giao thức IP sử dụng trong kết nối giữa các người dùng và cả trong hệ thống, như vậy cả MS và các thành phần hệ thống đều cần phải có địa chỉ IP. GPRS hỗ trợ cả IPv4 và IPv6. Địa chỉ IP dùng trong GPRS có thể là địa chỉ công cộng (public), địa chỉ riêng (private), địa chỉ động (dynamic) hay tĩnh (static). 2.1 Địa chỉ IP công cộng và địa chỉ riêng Địa chỉ IP công cộng là địa chỉ được cung cấp bởi nhà điều hành Internet, địa chỉ này được quy định riêng biệt trên toàn thế giới, nghĩa là mỗi host có một địa chỉ IP công cộng riêng. Để giảm số lượng địa chỉ IP, các tổ chức cần sử dụng địa chỉ IP riêng. Các địa chỉ trong không gian địa chỉ riêng chỉ cần khác nhau đối với tổ chức sử dụng; như vậy địa chỉ IP riêng có thể sử dụng cho nhiều tổ chức khác nhau. Ví dụ: Internet Assigned Numbers Authority (IANA) đã dành riêng 3 khối trong không gian địa chỉ IP cho địa chỉ IP riêng như sau: 10.0.0.0 - 10.255.255.255 (10/8 prefix) 172.16.0.0 - 172.31.255.255 (172.16/12 prefix) 192.168.0.0 - 192.168.255.255 (192.168/16 prefix) Một GPRS có thể được cấp cho địa chỉ công cộng hay địa chỉ riêng. 2.2 Địa chỉ IP động và địa chỉ tĩnh Địa chỉ IP động có thể được cấp cho SGSN khách hay cho GGSN của mạng hiện tại khi thực hiện chức năng chuyển vùng. Việc cấp địa chỉ IP động cho phép nhà điều hành có thể tái sử dụng địa chỉ IP từ tài nguyên địa chỉ IP điều này làm giảm tổng số địa chỉ IP dùng trong một PLMN. Địa chỉ IP tĩnh được cấp cho thuê bao ở HLR. Địa chỉ IP tĩnh được sử dụng khi truy cập vào mạng bảo mật việc gọi địa chỉ IP như là khoá để kiểm tra quyền truy cập. Ví dụ ở hình 3 là sơ đồ mạng GPRS kết nối với mạng Internet. Mỗi thiết bị đăng ký muốn trao đổi dữ liệu với mạng IP cần phải được cấp một địa chỉ IP. Địa chỉ IP được lấy từ không gian địa chỉ IP của nhà điều hành GPRS. Để hỗ trợ số lượng lớn địa chỉ IP cho người dùng di động, cần phải cấp địa chỉ IP động, DHCP Server (Dynamic Host Configuration Protocol) thực hiện công việc này. Trong hình máy phục vụ tên miền (DNS) được quản lý bởi GPRS hay bởi mạng IP có chức năng ánh xạ giữa địa chỉ IP và tên các host. Để đảm bảo quyền truy cập vào PLMN, bức tường lửa (firewall) được sử dụng giữa mạng GPRS riêng và mạng IP bên ngoài. Với cấu hình trên, GPRS có thể được coi là phần mở rộng của Internet trên tất cả các đường đến trạm di động hay máy tính di dộng. Như vậy thuê bao di động kết nối trực tiếp với Internet. Hình 3: Kết nối GPRS – Internet 2.3 Các phần kết nối IP trong GPRS Các router độc lập và các router nội trong mạng xương sống GPRS kiểm soát tất cả các kết nối ở mạng đường trục, các router này dùng địa chỉ IP riêng và có chức năng lọc gói dữ liệu. Router có thông tin về địa chỉ IP ở các giao tiếp kết nối IP và nhận dạng được địa chỉ IP của tất cả các TE trong hệ thống GPRS. Mỗi gói IP có địa chỉ của MS đích được gởi và xử lý bởi các router của mạng xương sống GPRS và thông qua GSN đến với MS tương ứng. Bất kỳ một gói IP nào từ MS đều được gởi từ SGSN thông qua bộ định tuyến của nó và được định tuyến đến internet sử dụng các quy trình định tuyến IP thông thường. Với mục đích bảo mật mạng phải có chức năng chặn các liên lạc không cần thiết. Để đạt được điều này, phần thực hiện chức năng kết nối IP trong GPRS chia thành 3 phần, các phần này được liên kết với nhau bằng router: - Phần mạng hợp tác (corporate) hay mạng ISP. - Phần mạng xương sống nội GPRS (GPRS internal backbone), gồm cả mạng quản lý. - Phần mạng dịch vụ: là mạng cho các host, cung cấp các dịch vụ Internet cho người dùng như DNS, e-mail, dich vụ WWW. Trong đó, phần mạng ISP và mạng xương sống nội GPRS thực hiện các chức năng cần thiết như định tuyến, quản lý lưu lượng, … cụ thể các chức năng này như sau: 2.3.1 Mạng hợp tác hay mạng ISP Mạng ISP là mạng nối với GPRS qua Internet. Mạng ISP có thể truy xuất đến bất kỳ trạm di động nào. Giao tiếp giữa mạng ISP và GGSN được duy trì suốt quá trình tạo PDP. Khi một tin nhắn tạo với PDP đến GGSN, giao thức chứng thực mật mã (PAP) hay giao thức chứng thực bắt tay (CHAP) được sử dụng thông qua máy chủ RADIUS ở mạng ISP. Mạng bên ngoài có nhiệm vụ cấp địa chỉ IP cho MS. Một GPRS MS có thể được cấp cho địa chỉ IP công cộng hay địa chỉ riêng. Để sử dụng địa chỉ riêng, cần phải định tuyến với IPSec tunnel hay PVC (mạch ảo thường trực). Nếu GGPS MS dùng địa chỉ riêng thì kết nối đến Internet phải dùng NAT (bộ dịch địa chỉ mạng) hay một Proxy Sever đặt ở ISP. Với mạng dùng địa chỉ IP công cộng, có các giao thức định tuyến trên nền IP như sau: - RIP (Rounting Information Protocol) v2 - OSPF (Open Shortest Path First) v2 - BGP v4 - Static routing 2.3.2 Mạng xương sống nội GPRS Mạng này là sự kết nối giữa các GSN. Một GSN thông qua router nối đến mạng xương sống GPRS và cho phép các host nối tới mạng quản lý. GSN router định tuyến tất cả các gói IP đến MS tương ứng. GSN router có các chức năng thông thường và bổ sung thêm một số chức năng trong việc phân phối tải dữ liệu (payload) và quản lý lưu lượng. Như vậy router có thể xử lý hiệu quả cả lưu lượng IP qua các thành phần mạng lẫn các giao thức đặc biệt của GPRS. Các router này hỗ trợ định tuyến tĩnh, cũng như các giao thức định tuyến động như: RIP v2, OPSF v2, và giao thức kết nối bên ngoài BGP v4. Chức năng định tuyến là một phần không thể thiếu đối với mạng GPRS, thực hiện chức năng này bằng cách sử dụng các router trong GSN. Nếu hai GSN ở các PLMN khác nhau nối với nhau thì phải sử dụng cổng phân cách – BG (Boder Gateway), thông thường chức năng này được tích hợp trong GGSN. Một GSN cũng có thể nối với mạng IP bên ngoài thông qua BG. Các kết nối đến các PLMN khác có thể bằng đường trực tiếp hay thông qua mạng IP. 3 Định tuyến trong GPRS Định tuyến là quá trình lấy gói dữ liệu từ một thiết bị và gởi nó thông qua mạng đến thiết bị của mạng khác. Để có thể định tuyến các gói dữ liệu, router phải có các thông tin: địa chỉ đích, các router láng giềng, các đường đi đến tất cả các mạng từ xa, đường đi tối ưu đến mỗi mạng, cách thức duy trì và kiểm tra thông tin định tuyến. Router không quan tâm đến host mà chỉ quan tâm đến mạng và đường đi tối ưu cho mỗi mạng. Xét một ví dụ điển hình của định tuyến gói dữ liệu trong mạng GPRS, trình bày ở hình 4. PLMN1 Packet data network Inter-PLMN GPRS backbone Intra-PLMN GPRS backbone Intra-PLMN GPRS backbone Border Gateway Border Gateway GGSNGGSNSGSN BTS BTS BSC BSC PLMN2 Router Host MS SGSN SGSN LAN Hình 4: Định tuyến gói dữ liệu trong GPRS Một trạm di động ở PLMN1 gởi gói dữ liệu IP đến một host nối với mạng IP. Phần SGSN của MS đóng gói gói dữ liệu từ MS, xem xét phạm vi PDP và định tuyến chúng qua mạng xương sống GPRS trong cùng một PLMN (Intra-PLMN GPRS) đến GGSN thích hợp. GGSN bỏ các phần thêm vào bởi SSGN và gởi chúng ra mạng IP, tại đây sử dụng cơ chế định tuyến IP để chuyển gói đến router của mạng đích. Sau sùng phân phối gói IP đến host. Giả sử trạm di động đăng ký ở PLMN2. MS có được địa chỉ IP từ GGSN của mạng PLMN2. Như vậy, MS có địa chỉ IP ở cùng mạng với địa chỉ IP của GGSN của mạng PLMN2. Bây giờ host gởi gói dữ liệu IP cho MS. Gói IP sẽ được dẫn đến GGSN của PLMN2. Nhưng trong HLR chứa thông tin thông báo rằng MS đang ở PLMN1, như vậy thông tin sẽ được đóng gói và gởi chúng thông qua mạng xương sống GPRS liên PLMN (Inter-PLMN GPRS Backbone) đến SGSN ở PLMN1. Đến đây, SGSN tách gói dữ liệu và chuyển chúng tới MS. Trong GPRS sử dụng hai dạng định tuyến là: - Định tuyến tĩnh (static routing) - Định tuyến động (dynamic roting) gồm RIP, OSPF, BGP. Định tuyến tĩnh Cấu hình định tuyến phải thông qua người quản trị, người quản trị phải ghi các thông tin vào bảng định tuyến. Lợi điểm của cách định tuyến này là: sử dụng ít băng thông trên đường truyền giữa các router, bảo mật. Nhược điểm của cách định tuyến này là: người quản trị phải hiểu rõ cấu trúc mạng, không phù hợp với mạng lớn trong việc cập nhật thông tin định tuyến. Định tuyến động Đây là quá trình sử dụng các giao thức để tìm và cập nhật bảng định tuyến trên router, để đảm bảo đường đi tới mỗi mạng. Một số giao thức định tuyến động như: RIP, OSPF, BGP, … RIP sử dụng cách đo đơn giản là đếm số bước nhảy. Bước nhảy trong một mạng là các router mà gói dữ liệu phải qua để đến với mạng đó. Một đặc điểm quan trọng của RIP là giao thức có phân lớp, có nghĩa là subnet mask không được gởi khi cập nhật đường đi, khác với giao thức định tuyến không phân lớp, điều này làm RIP hoạt động không hiệu quả bằng OSPF. OSPF sử dụng thuật toán Dijkstra để tổng hợp đường đi, thuật toán này sử dụng băng thông đường truyền để xác định các giá trị đến mạng từ xa. Không giống như RIP, OSPF là giao thức định tuyến không phân lớp, nghĩa là thông tin về subnet được gởi kèm trong quá trình cập nhật đường đi. Hơn nữa, giao thức định tuyến OSPF phải duy trì cơ sở dữ liệu về cấu trúc mạng như vậy nó hoạt động hiệu quả hơn RIP. Cả hai thuật toán RIP v2 và OSPF v2 đều được sử dụng cho BG ở mạng xương sống GPRS trong cùng một PLMN. Giao thức định tuyến BGP là một trong những giao thức định tuyến phức tạp, cho phép kết nối các mạng khác nhau vào Internet. 4 Một số dịch vụ của GPRS Môi trường GPRS đối với dịch vụ WAP Giao thức truy cập không dây (WAP) cho phép người dùng di động có thể tương tác dễ dàng các thông tin, ứng dụng dịch vụ thông qua màn hình điện thoại di động. Các dịch vụ và ứng dụng này là: e-mail, dịch vụ chăm sóc khách hàng, quản lý cuộc gọi, thông tin thời tiết, thể thao, ngân hàng, … WAP sử dụng HTTP1.1 Web Server (máy phục vụ WEB trên nền HTTP1.1) cung cấp nội dung Internet hay intranet. FAX qua GPRS Tích hợp fax với văn bản điện tử chuyển đổi fax thành dạng tin nhắn MINE (Multipurpose Internet Mail extension – Internet Mail mở rộng đa mục đích) kết hợp với văn bản dạng TIFF để có thể phục hồi lại bản fax và có thể truy cập điện tử. Môi trường truyền thông qua mail server. Thông tin được lưu trữ và phục khôi phục lại dạng TIFF. Với cách truyền qua WEB đã giảm chi phí định tuyến, quản lý, ... Kết hợp giữa thoại và dữ liệu GGSN có thể đặt ở nhà khách hàng, dựa trên kỹ thuật định tuyến, các phần mềm là giải pháp lý tưởng để tích hợp với các dịch vụ IP như mạng quay số riêng ảo (VPDN) hay thoại qua IP (Voice over IP). Giải pháp kết hợp mạng riêng ảo Với các SGSN với độ tin cậy cao có thể tạo môi trường cộng tác trong GPRS, mạng riêng ảo là giải pháp phù hợp cho các văn phòng gia đình hay văn phòng nhỏ (SOHO). 5 Các giao thức 5.1 Transmision Plane (Mặt phẳng truyền dẫn) Hình 3 mô tả cấu trúc các giao thức trong mặt phẳng truyền dẫn GPRS, cung cấp đường truyền dữ liệu người dùng và báo hiệu kênh chung, như kiểm soát luồng, phát hiện và sửa sai. Hình 3: Mặt phẳng truyền dẫn SGSN – GGSN Mạng GPRS backbone đóng gói dữ liệu và truyền giữa các GSN thông qua giao thức GTP (GPRS Tunneling Protocol) đồng thời giao thức này cũng truyền các tín hiệu báo hiệu liên quan. GTP được sử dụng giữa các GSN trong cùng một PLMN (qua giao diện Gn) và giữa các GSN ở các PLMN khác nhau (qua giao diện Gp). Ở trong mặt phẳng truyền dẫn, GTP tạo một đường hầm (tunnel) để truyền gói dữ liệu và cung cấp giao thức để khiển và quản lý đường hầm. Các gói GTP mang gói IP của người dùng hay gói X.25. Ở lớp dưới GTP, giao thức chuẩn TCP/UDP được dùng để truyền dẫn gói GTP trong mạng xương sống GPRS. X.25 cần đường truyền tin cậy (reliable data link) nên TCP được dùng. UDP là gio thức không đảm bảo (unreliable) dùng để truy cập vào mạng dữ liệu gói trên nền IP . Giao thức IP ở lớp mạng được sử dụng để định tuyến gói dữ liệu qua mạng xương sống. Các giao thức Ethernet, ISDN và ATM phải hoạt động dưới IP. Tóm lại, trong mạng xương sống GPRS ta có cấu trúc truyền dẫn qua các lớp IP/X.25 – GTP – TCP/UDP – IP. Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP) Giao thức SNDCP dùng để truyền dữ liệu giữa SGSN và MS. Giao thức này có các chức năng: - Ghép nhiều kết nối của lớp mạng vào một đường kết nối logic ảo của lớp LLC bên dưới. - Nén – giải nén dữ liệu và bỏ các phần header (mào đầu) không cần thiết. Air Interface (Giao diện không gian) – ở phần này, xem xét lớp data link (liên kết số liệu) và lớp physical (vật lý) ở giao diện Um. a. Lớp Data Link: lớp này được phân thành hai lớp con là lớp LLC (giữa MS – SGSN) và lớp RLC/MAC (giữa MS – BSS). Lớp LLC (Logical Link Control – Điều khiển kết nối logic) cung cấp các đường kết nối logic tin cậy cao (highly reliable logical link) giữa các MS và SGSN. Chức năng của nó dựa trên giao thức HDLC, bao gồm: kiểm soát liên lạc, phân phối, kiểm soát lưu lượng, phát hiện lỗi và truyền lại (ARQ – Automatic Repeat reQuest). Lớp này cung cấp các chức năng mã hóa dữ liệu và cho phép truyền các khung có chiều dài thay đổi. Cả chế độ truyền dữ liệu có xác nhận và không xác nhận đều được hỗ trợ. Giao thức này phần lớn nâng cấp theo giao thức LAPDm trong GSM. Lớp RLC/MAC ở giao diện không gian gồm 2 chức năng. Lớp RLC/MAC hỗ trợ cả hai chế độ hoạt động xác nhận và không xác nhận. - Chức năng chính của lớp RLC (Radio Link Control – Điều khiển kết nối vô tuyến) là thiết lập đường truyền tin cậy giữa MS và BSS, bao gồm phân chia và kết hợp lại khung LLC trong khối dữ liệu RLC và phát thông báo ARQ đối với các từ mã không sửa sai được. - Lớp MAC (Medium Access Control) điều khiển quá trình truy cập của MS trong kênh vô tuyến. Nó dùng các thuật toán để phân giải tranh chấp, ghép nhiều người dùng ở PDTCH và lập quyền ưu tiên dựa trên yêu cầu về QoS. b. Lớp vật lý: lớp vật lý giữa MS và BSS được phân thành 2 lớp con là PLL (Physical Link Layer ) và RFL (physical RF Layer). PLL (Physical Link Layer – lớp liên kết vật lý) cung cấp kênh vật lý giữa các MS và BSS Lớp này có nhiệm vụ: mã hóa kênh (phát hiện, truyền thông tin sửa lỗi (Forward Error Correction – FEC), đánh dấu các từ mã không sửa được), phát hiện nghẽn kết nối vật lý. RFL (physical RF Layer) hoạt động ở dưới lớp RLL một trong số các chức năng của nó là mã hóa và giải mã. BSS – SGSN BSSGN (BSS GPRS Application Protocol): phân phối thông tin định tuyến và thông tin QoS liên quan giữa BSS và SGSN. Giao thức Network Service ở lớp dưới hoạt động dựa trên giao thức Frame Relay. 5.2 Mặt phẳng báo hiệu (Signalling Plane) Các giao thức ở mặt phẳng báo hiệu dùng để điều khiển và hỗ trợ cho chức năng của mặt phẳng truyền dẫn như GPRS attach/detach, kích hoạt PDP context, điều khiển đường định tuyến và chỉ định tài nguyên mạng. Trong hình, giữa MS và SGSN, giao thức GMN/SM (GPRS Mobility Management / Session Management) hỗ trợ quản lý phiên và quản lý di động khi thực hiện các chức năng như GPRS attach/detach, chức năng bảo mật, kích hoạt giao tiếp PDP context và cập nhật định tuyến. Báo hiệu giữa SGSN và các thanh ghi HLR, VLR và EIR dùng các giao thức thông thường như của GSM và mở rộng với một số chức năng của GPRS. MAP (Mobile Application Part) là thành phần mở rộng đặc tính mạng di động của SS7, sử dụng giữa SGSN và HLR cũng như giữa SGSN và EIR, nó truyền nội dung báo hiệu liên quan đến cập nhật vị trí, thông tin định tuyến, thông tin người dùng và bắt tay. Sự trao đổi các bản tin MAP thiết lập qua phần TCAP (transaction capabilities application part) và SCCP (Signalling Connection Control Part). Thành phần ứng dụng hệ thống trạm gốc (Base Sation System Application Part – BSSAP+) truyền thông tin báo hiệu giữa SGSN và VLR (qua giao diện Gs). Các thông tin báo hiệu này quản lý di động khi phối hợp chức năng của GPRS và GSM, như kết hợp cập nhật vị trí thuê bao GPRS và không phải GPRS, phối hợp GPRS/IMSI attach hay quản lý các MS từ cuộc gọi GSM vào GPRS. Các từ viết tắt 2G Second generation – Tên chung cho mạng di động số thế hệ thứ hai (như GSM) 3G Third generation; Tên chung cho mạng di động thế hệ kế tiếp (Universal Telecommunications System [UMTS], IMT-2000; GPRS được gọi là 3G ở Bắc Mỹ) APN Access Point Name BG Border gateway BGP Border Gateway Protocol bps Bits per second BSC Base Station Controller BTS Base transceiver station CS Circuit switched DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DNS Domain Name System GGSN Gateway GPRS Support Node GMSC Gateway mobile services switching center GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications GSN GPRS Support Node (xGSN) GTP GPRS Tunneling Protocol GW Gateway HLR Home location register IP Internet Protocol IH Internet service Host ISP Internet service provider MM Mobility management MS Mobile station MSC Mobile services switching center NAS Network access server OSS Operations Support System PCU Packet control unit PDA Personal digital assistant PDN Packet data network PDP Packet Data Protocol PLMN Public Land Mobile Network – Tên chung cho tất cả các mạng di động không dây sử dụng trạm gốc. PSPDN Packet Switched Public Data Network PSTN Public Switched Telephone Network PVC Permanent virtual circuit RADIUS Remote Authentication Dial-In User Service RLP Radio Link Protocol SGSN Serving GPRS Support Node SLA Service-level agreement SMS Short message service TCP Transmission Control Protocol TE Terminal equipment VLR Visitor location register VPN Virtual private network WAP Wireless access Protocol Tài liệu tham khảo · Bài giảng Thông tin di động số – Ths. Hồ Văn Cừu, Ths Phạm Thanh Đàm · Thông tin di dộng GSM – Nhà xuất bản Bưu Điện · GPRS System Survey, Student Text – Ericsson · [www.cisco.com] GPRS White Pager – Cisco System · [www.comsoc.org/pubs/surveys] IEEE Communications Surveys •Third Quarter 1999, vol. 2 no. 3 · [www.vipro.com] Migration of GSM Networks to GPRS – WHITE PAPER · [www.mobilewhitepapers.com/pdf/gprs.pdf] · [www.gsmworld.com] · [www.mobilegprs.com] GPRS TECHNOLOGY OVERVIEW · [www.vocal.com] Mục lục GPRS/GSM Network 1 1 Tổng quan 1 2 Các kiểu chuyển mạch 1 2.1. Chuyển mạch kênh: 1 2.2. Chuyển mạch gói: 1 2.3. Đặc điểm của hệ thống GPRS: 1 3 Kiến trúc mạng GPRS 2 3.1. TE 2 3.2. GPRS BSS 3 3.3. MSC (Mobile Services Switching Center) 3 3.4. GMSC (Gateway Mobile Services Switching Center) 3 3.5. HLR (Home Location Register) 3 3.6. VLR (Visitor Location Register) 4 3.7. Mạng lõi 4 4 Mã hoá Kênh Trong GPRS 5 5 Điều chế số 7 6 Quản Lý Phiên, Quản Lý Di Động 7 1. Các thủ tục attachment và detachment 7 2. Quản lý phiên: 9 7 Quản lý vị trí 10 8 Nguyên tắc quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến và đa truy xuất 10 9 Kênh logic trong GPRS 11 GPRS IP Conectivity 13 1 Tổng quan Kiến trúc kết nối của GPRS 13 2 Chức năng kết nối IP của GPRS 14 2.1 Địa chỉ IP công cộng và địa chỉ riêng 15 2.2 Địa chỉ IP động và địa chỉ tĩnh 15 2.3 Các phần kết nối IP trong GPRS 16 3 Định tuyến trong GPRS 17 4 Một số dịch vụ của GPRS 18 5 Các giao thức 21 5.1 Transmision Plane (Mặt phẳng truyền dẫn) 21 5.2 Mặt phẳng báo hiệu (Signalling Plane) 22 Các từ viết tắt 24 Tài liệu tham khảo 25 Mục lục 26