ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
*********
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM - GPRS
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN :TS. NGUYỄN HỮU THANH
SINH VIÊN THỰC HIỆN :NGUYỄN MINH NGỌC
LỚP :06TM – 02ĐT
Hà Nội, 2009
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghệ thông tin ngày nay, khái niệm GSM – GPRS
không còn lạ lẫm đối với những người sử dụng điện thoại di động. GSM (Global
System For Mobile Communication) hay còn gọi là hệ thống truyền thông di động
toàn cầu sử dụng hoàn toàn kỹ thuật số khác với hệ thống mạng điện thoại analog
cổ điển như AMPS (Advanced Mobile Phone Service: Dịch vụ điện thoại di động
cao cấp). GSM là một hệ thống của Châu Âu được thiết kế theo kỹ thuật tín hiệu
số. Nó không tương thích với các hệ thống trước đó và như vậy nó không bị ràng
buộc bởi nhu cầu phải tương thích.
Sau này hệ thống mạng GPRS (General Packet Radio Service – mạng thông
tin di động thế hệ 2,5G) được phát triển dựa trên nền tảng của mạng GSM. Đó là
dịch vụ vô tuyến gói chung được Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu tiêu chuẩn
hóa vào năm 1993 sử dụng phương thức đa truy nhập theo thời gian TDMA. Công
nghệ mà trước đây không khả thi đối với mạng GSM thì bây giờ có thể triển khai
và cung cấp những ứng dụng Internet vô tuyến hấp dẫn hơn cho số lượng lớn
người sử dụng.
Vì GPRS được thiết kế để cho phép người sử dụng luôn được kết nối mà
không cần sử dụng thêm các nguồn lực phụ trợ nên GPRS mang lại những cơ hội
kinh doanh mới cho các nhà khai thác dịch vụ di động nhằm tăng doanh thu bằng
việc đưa ra những dịch vụ IP mới và thu hút thêm những khách hàng mới với chi
thuộc Đội kỹ thuật 11 chi nhánh kỹ thuật Hà Nội thuộc Tổng công ty viễn thông
quân đội-Viettel telecom đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án
tốt nghiệp này.
Hà Nội, Ngày 25 Tháng 5 Năm 2009
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Minh Ngọc
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
3
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1. Thị phần thông tin di động trên thế giới năm 2006 ............................ 13
Hình 1.2. Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM .................................................... 14
Hình 1.3. Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc ............................. 21
Hình 2.1. Cấu trúc của một mạng GPRS .............................................................. 23
Hình 2.2: Tốc độ kênh truyền trong GPRS. ......................................................... 26
Hình 2.3: Tốc độ cho các dịch vụ ứng dụng GPRS. ............................................. 26
Hình 3.1: Các khối của mạng GPRS ...................................................................... 29
Hình 4.1. Lưu đồ trạng thái nhập/tách khỏi GPRS ............................................. 38
Hình 4.2. Rời khỏi GPRS do MS khởi xướng ....................................................... 41
Hình 4.3. Rút tách kết hợp GPRS/VLR do MS khởi xướng .............................. 42
Hình 5.1: Quá trình mã hóa .................................................................................... 44
Hình 5.2. Cập nhật vùng định tuyến trong một SGSN ....................................... 49
Hình 5.3. Cập nhật vùng định tuyến ngoài SGSN. .............................................. 52
Hình 5.4. Cập nhật kết hợp vùng định tuyến trong cùng một SGSN và vùng
định vị trong cùng một MSC. ................................................................................. 55
Hình 5.5: Cập nhật kết hợp vùng định vị ngoài MSC và vùng định tuyến trong
cùng một SGSN ......................................................................................................... 58
Hình 5.6: Kết hợp cập nhật định vị ngoài MSC và định tuyến ngoài SGSN ... 60
Hình 5.7: Kích hoạt giao thức PDP do MS khởi tạo ............................................ 65
Hình 5.8: Ngừng hoạt động khung giao thức PDP do MS khởi tạo. ................. 68
E
EIR Equipment Identity Register Bộ ghi danh tính thiết bị
ETSI European Telecommunication Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu
Standards Institude
G
GGSN Gateway GPRS Support Node Nút định tuyến của GPRS
GSM Global System for Mobile Thông tin di động toàn cầu
Communication
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung
H
HLR Home Location Register Bộ đăng ký định vị thường trú
I
IMSI International Mobile Station Số hiệu nhận dạng thuê bao di động
Indentity
L
LA Location Area Vùng định vị
LAI Location Area Identity Số định danh cho LA
LLC Logic Link Control Điều khiển liên kết logic
N
NSAPI Network Service Access Điểm truy cập dịch vụ mạng
Point Identifier
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
6
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
M
MS Mobile station Trạm di động
MSC Mobile Service Switching Tổng đài di động
Center
MoU Memorandum of Bản ghi nhớ của 12 nước Châu Âu
Understanding
SGSN Serving GPRS Support Node Nút phục vụ các thuê bao GPRS
SF Stealing Flag Cờ chiếm khung
SS Switching System Hệ thống chuyển mạch
SMS-C Short Message Service Center Trung tâm dịch vụ tin nhắn
SDP Standard Data Protocols Những ứng dụng theo dữ liệu chuẩn
T
TDMA Time DivisionMutiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian
TE Terminal equipment Thiết bị đầu cuối
TFI Temporary Flow Identifier Luồng tức thời
TLLI Temporary Logical Link Tuyến logic tạm thời
Identifier
U
USF Uplink State Flag Cờ trạng thái tuyến lên
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
8
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
UMTS Universal Mobile Thế hệ thứ ba của thông tin di động
Telecommunications System (3G)
V
VLR Visitor Location Register Bộ ghi vị trí tạm trú
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
9
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
PHẦN MỞ ĐẦU
Đề tài được chia làm ba phần:
• Phần I: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VIỄN THÔNG VÀ XU HƯỚNG PHÁT
TRIỂN CỦA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• Phần II: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG GSM
• Phần III: lỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG GPRS
Phần I: của đề tài sẽ đề cập tới những vấn đề cơ bản nhất về mạng thông tin di
xa, phát triển SONET, chuẩn hoá và khai thác GSM, SDH.
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
11
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
• 1990-1997: GSM tế bào số, truyền hình vệ tinh phổ biến rộng rãi trên thế
giới; Internet mở rộng nhanh chóng nhờ WWW.
• 1997-2000: Viễn thông mang tính cộng đồng, phát triển rộng rãi GSM,
CDMA; Internet phát triển; WAN băng rộng nhờ ATM, LAN Gb.
• 2001: HDTV, di động 3G, các mạng băng rộng, các hệ thống truy nhập đưa
các dịch vụ đa phương tiện tới mọi người.
Chúng ta có thể xét tiến trình phát triển của mạng thông tin di động qua các
giai đoạn sau:
Giai đoạn 2G: gồm có GSM, SMS, Cỉcuit Data
Giai đoạn 2,5G (năm 2001 – 2002): HSCSD, GPRS, ASCI…..
Giai đoạn 3 (GSM Phase 2+): ở giai đoạn này được chia làm 2 hướng phát
triển là:
Từ giai đoạn 2 lên UMTS
Từ giai đoạn 2 thông qua EDGE lên UMTS.
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
12
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
Hình 1.1. Thị phần thông tin di động trên thế giới năm 2006
1.2. Xu hướng phát triển của mạng thông tin di động:
Để đáp ứng được nhu cầu phát triển của công nghệ mới, nhu cầu sử dụng
của thuê bao thì giai đoạn thứ 3 là một nhu cầu tất yếu. Tuy nhiên việc chuyển
giao trực tiếp từ thông tin di động giai đoạn hai GSM lên WCDMA là rất tốn kém,
đòi hỏi chi phí đầu tư lớn từ các nhà sản xuất và các nhà khai thác dịch vụ. Điều
này dẫn tới sự tăng giá thành dịch vụ và ảnh hưởng trực tiếp đến lợi ích của các
thuê bao. Do đó GPRS là một phương pháp khả thi cho một nền tảng GSM đã phát
triển, đó là một bước đệm trong quá trình chuyển từ thông tin di động giai đoạn hai
-1990: Đặc tả giai đoạn 1 đã được đưa cho các nhà sản xuất phát triển thiết
bị mạng.
-1991: chuẩn GSM 1800 được công bố và thống nhất cho phép các nước
ngoài CEPT được tham gia bản MoU.
-1992: Đặc tả giai đoạn 1 hoàn tất. Mạng GSM giai đoạn 1 thương mại đầu
tiên được công bố. Thỏa thuận chuyển vùng (roaming) quốc tế đầu tiên giữa
Telecom Finland và Vodafone (Anh) được ký kết.
-1993: Úc là nước đầu tiên ngoài CEPT ký MoU, khi đó MoU đã được 70
nước tham gia. Mạng GSM được công bố tại Áo, Ai-xơ-len, Hồng Kông, Na Uy và
Úc. Thuê bao GSM lên đến hàng triệu. Hệ thống DCS thương mại đầu tiên được
công bố ở Anh.
-1994: MoU có hơn 100 tổ chức tham gia tại 60 nước. Nhiều mạng GSM ra
đời, tổng số thuê bao lên 3 triệu.
-1995: Đặc tả cho Dịch vụ liên lạc cá nhân (PCS – Personal communications
Service) được phát triển tại Mỹ, đây là một phiên bản GSM hoạt động trên tần số
1900MHz. GSM tiếp tục phát triển nhanh, mỗi ngày thuê bao GSM tăng 10.000.
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
15
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
-4/1995:MoU có 188 thành viên trên 69 quốc gia. Hệ thống GSM 1900 có
hiệu lực tuân theo chuẩn PCS 1900.
-1998: Mou có 253 thành viên trên 100 nước và có trên 70 triệu thuê bao
trên toàn cầu chiếm 31% thị trường di động thế giới.
-6/2002 Hiệp hội GSM có 600 thành viên, đạt 79 triệu thuê bao chiếm 71%
thị trường di động số trên 173 quốc gia.
1.2. Đặc tả GSM:
GSM được thiết kế độc lập với hệ thống nên hoàn toàn không phụ thuộc vào
phần cứng mà chỉ tập trung vào chức năng và ngôn ngữ giao tiếp của hệ thống.
Điều này tạo điều kiện cho người thiết kế phần cứng sáng tạo thêm tính năng
và cho phép công ty vận hành mạng mua thiết bị từ nhiều hãng khác nhau.
mức độ khai thác của từng khu vực, chỉ riêng khu vực 2 (từ Lâm Đồng trở vào) đã
đặt đến gần 300 BTS (chiếm gần một nữa tổng số BTS của mạng); trong tương lai,
GPC (công ty quản lý mạng Vinaphone) và VMS (MobiFone) vẫn sẽ tiếp tục lắp
đặt thêm BTS để mở rộng và nâng cấp chất lượng vùng phủ sóng.
4. Vùng định vị (LA-Location Area):
Nhiều ô được ghép nhóm và gọi là một LA. Trong mạng, vị trí của thuê bao
do LA khu vực của thuê bao nắm giữ. Số định danh cho LA được lưu thành thông
số LAI (Location Area Identity) ứng với từng thiết bị di động (điện thoại di động)
trong VLR. Khi thiết bị di chuyển sang ô của LA khác thì bắt buộc phải đăng ký lại
vị trí với mạng, nếu dịch chuyển giữa các ô trong cùng một LA thì không phải thực
hiện qui trình trên. Khi có cuộc gọi đến thiết bị, thông điệp được phát ra
(broadcast) toàn bộ các ô của LA đang quản lý thiết bị.
5. Vùng phục vụ của MSC:
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
17
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
Nhiều vùng LA được quản lý bởi một MSC. Để có thể kết nối cuộc thoại đến
thiết bị di động, thông tin vùng dịch vụ MSC cũng được theo dõi và lưu lại HLR.
6. Vùng phục vụ của nhà khai thác:
Vùng phục vụ của nhà khai thác bao gồm toàn bộ các ô mà công ty có thể
phục vụ; nói cách khác, đây chính là toàn bộ của vùng phủ sóng của nhà khai thác
mà thuê bao có thể truy nhập vào hệ thống. Mỗi nhà khai thác sẽ có thông số vùng
phục vụ riêng. Việt Nam hiện có hai vùng phục vụ MobiFone và Vinaphone, hy
vọng sắp tới sẽ sớm có thêm vùng phục vụ của Saigon Postel liên doanh với SLD
(Singapore), Vietel, Viễn Thông Sài Gòn.
Vùng dịch vụ GSM: Vùng dịch vụ GSM là toàn bộ vùng địa lý mà thuê bao
có thể truy nhập vào mạng GSM, và sẽ càng mở rộng khi có thêm nhiều nhà khai
thác ký thỏa ước hợp tác với nhau. Hiện tại thì vùng dịch vụ GSM đã phủ hàng
chục quốc gia, kéo dài từ Ai-xơ-len đến Châu Úc và Nam Phi. Chuyển vùng là khả
năng cho phép thuê bao truy nhập mạng của mình từ mạng khác. Mô hình mạng di
2. BSC/TRC sẽ chỉ định kênh báo hiệu.
3. Thiết bị gửi yêu cầu thiết lập cuộc gọi cho MSC/VLR. Thao tác đăng ký
trạng thái tích cực cho thiết bị vào VLR, xác thực, mã hóa, nhận dạng thiết bị, gửi
số được gọi cho mạng, kiểm tra xem thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi ra đều
được thực hiện trong bước này. - Nếu hợp lệ, MSC/VLR báo cho BSC/TRC một
kênh đang rỗi. - MSC/VLR chuyển tiếp số được gọi cho mạng PSTN. - Nếu máy
được gọi trả lời, kết nối sẽ được thiết lập.
*Thực hiện cuộc gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị di động:
Điểm khác biệt quan trọng so với gọi từ thiết bị di động là vị trí của thiết bị
không được biết chính xác. Chính vì thế trước khi kết nối, mạng phải thực hiện
công việc xác định vị trí của thiết bị di động.
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
19
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
1. Từ điện thọai cố định, số điện thoại di động được gửi đến mạng PSTN.
Mạng sẽ phân tích, và nếu phát hiện ra từ khóa gọi ra mạng di động, mạng PSTN
sẽ kết nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác thích hợp.
2. GMSC phân tích số điện thoại di động để tìm ra vị trí đăng ký gốc
trong HLR của thiết bị và cách thức nối đến MSC/VLR phục vụ.
3. HLR phân tích số điện thoại di động để tìm ra MSC/VLR đang phục vụ
cho thiết bị. Nếu có đăng ký dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi đến, cuộc gọi sẽ được trả
về GMSC với số điện thoại được yêu cầu chuyển đến.
4. HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ.
5. MSC/VLR gửi thông điệp trả lời qua HLR đến GMSC.
6. GMSC phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR.
7. MSC/VLR biết địa chỉ LA của thiết bị nên gửi thông điệp đến BSC quản
lý LA này.
8. BSC phát thông điệp ra toàn bộ các ô thuộc LA.
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
20
4. HLR đáp ứng truy vấn.
5. SMS-GMSC chuyển thông điệp lại cho MSC/VLR chỉ định.
6. Tiến hành nhắn tin tìm kiếm và kết nối thiết bị vào mạng.
7. Nếu xác thực thành công, MSC/VLR sẽ phát tin nhắn đến thiết bị.
8. Nếu truyền nhận tin nhắn thành công, MSC/VLR sẽ gửi báo cáo về SMS-
C; ngược lại, MSC/VLR sẽ thông báo cho HLR và gửi báo cáo lỗi về
SMS-C.
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
22
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
PHẦN 3. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG GPRS:
Chương 2. Lịch sử hình thành và khái quát chung về GPRS:
Hình 2.1. Cấu trúc của một mạng GPRS
GPRS (General Packet Radio Service) là một công nghệ mới đầy triển vọng
được Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu tiêu chuẩn hoá vào năm 1993,đó là dịch
vụ vô tuyến gói tổng hợp được phát triển trên nền tảng công nghệ thông tin di động
toàn cầu (GSM) sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).Nguyên lý
cơ bản của công nghệ là sử dụng các gói tin để truyền tải dữ liệu trên mạng khi và chỉ
khi có dữ liệu được gửi thay cho việc sử dụng kết nối kênh cố định của dịch vụ
GPRS. Công nghệ GPRS hay còn biết đến với mạng di động thế hệ 2.5G, áp dụng
nguyên lý gói vô tuyến để truyền số liệu của người sử dụng một cách có hiệu quả
giữa máy điện thoại di động tới các mạng truyền số liệu.
GPRS cho phép sử dụng các máy điện thoại di động thông thường để truy
nhập Internet. Nhờ GPRS người sử dụng có thể làm việc với thư điện tử của mình,
với các server Web thông thường (chứ không phải với các versions WAP chuyên
dụng) v.v...
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
23
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Minh Ngọc – 06TM-02ĐT
Ưu thế cơ bản của các mạng GPRS là ở chỗ người sử dụng chỉ phải chi trả
các dịch vụ và ứng dụng mới, cũng như được dùng để phát triển các dịch vụ 3G.
Trước những mong đợi về nhu cầu đa dạng và tinh vi của dịch vụ, GPRS đã cải
tiến cách truyền trong mạng GSM theo chuẩn ETSI (European Telecommunications
Standards Institute).
Về cơ bản là sử dụng các gói tin để truyền tải dữ liệu trên mạng thay cho
việc sử dụng kết nối kênh cố định của dịch vụ hiện tại khi và chỉ khi có dữ liệu
được gửi. Giao thức TP được sử dụng trong mạng GPRS vì GPRS được thiết kế
như một phương thức cung cấp dịch vụ mạng để hỗ trợ những ứng dụng theo dữ
liệu chuẩn (Standard Data Protocols).
Một trong những ưu điểm của chuyển mạch gói là cho phép nhiều người sử
dụng phận chia một kênh vật lý. Điều này sẽ tối ưu hóa sử dụng phổ nhờ phân chia
khe thời gian động giữa những người sử dụng và nâng cao hiệu suất sử dụng lên
gấp ba lần so với chuyển mạch kênh. Thuê bao có thể kết nối đến tất cả các khe
thời gian với thời gian thiết lập cuộc gọi nhỏ. Như vậy sẽ tiết kiệm chi phí cho cơ
sở hạ tầng vì có thể triển khai phát triển trên nền hạ tầng sẵn có để hỗ trợ cho cả
hai loại dịch vụ: thoại và dữ liệu.
Trong khi kỹ thuật chuyển mạch kênh có thể cho tốc độ truyền dẫn dữ liệu
lên 56 kbit/s đối với mạng thông tin cố định hay 9,6 kbit/s đối với mạng GSM hiện
tại nhưng chi phí rất cao và sử dụng không hiệu quả, thì GPRS với kỹ thuật chuyển
mạch gói đưa tốc độ lên tới 171,2 kbit/s và phổ được sử dụng hiệu quả hơn gấp 3
lần so với tốc độ truyền dẫn dữ liệu của mạng thông tin cố định và gấp 10 lần tốc
độ truyền dẫn dữ liệu của mạng GSM hiện tại.
Tốc độ dữ liệu cung cấp bởi GPRS phụ thuộc vào lược đồ mã hóa kênh. Có
4 chuẩn tốc độ cho một kênh truyền trong GPRS là: 9,05 kbit/s – 13,4 kbit/s – 15,6
kbit/s – 21,4 kbits như mô tả ở hình 3.2:
Tổng quan về mạng GSM và GPRS
25
Copyright: Tài liệu đại học ©