Công nghệ GPRS - Ngô Kim Tú.pdf

Công nghệ GPRS
Phần 1 - Phần 2 - Phần 3



Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Package Radio Service) là một công nghệ mới nhằm cung cấp
những dịch vụ gói IP đầu cuối tới đầu cuối qua mạng GSM. Với những ứng dụng IP mới GPRS, 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 phí hợp lý cho người sử dụng đầu cuối. Về mặt đầu tư của nhà khai thác việc nhanh chóng đẩy mạnh
mức độ bao phủ dịch vụ là có thể vì GPRS tận dụng được một cách hiệu quả mạng vô tuyến GSM.
Giải pháp GPRS của Ericsson được thiết kế để đẩy nhanh việc triển khai GPRS mà vẫn giữ cho chi phí đầu
vào thấp. Các khối chức năng của mạng GSM hiện nay chỉ cần nâng cấp phần mềm, ngoại trừ BSC cần
nâng cấp cả phần cứng (Hình 1). Hai nút mạng mới, nút mạng hỗ trợ phục vụ GPRS (Serving GPRS
Support Node – SGSN) và nút mạng hỗ trợ cổng GPRS (Gateway GPRS Support Node – GGSN) được giới
thiệu. Trong giải pháp của Ericsson, hai nút mạng này có thể được kết hợp thành một nút vật lý. Một sự
triển khai linh hoạt GPRS là có thể, ví dụ: bắt đầu với nút mạng GPRS tập trung hợp cả SGSN và GGSN. Ở
bước tiếp theo, node tập trung có thể được tách ra thành SGSN và GGSN chuyên dụng.

Hình 1: Giải pháp GPRS của Ericsson cho việc triển khai nhanh chóng GPRS
Giải pháp GPRS của Ericsson hỗ trợ các giao diện mở ngay từ đầu. Ví dụ giao diện giữa SSGM và BSC hỗ
trợ một giao diện mở Gb như đã được định nghĩa trong tiêu chuẩn hoá của ETSI, mang lại cho nhà khai
thác khả năng đạt tới cấu hình nhiều nhà cung cấp thiết bị.
Ericsson cũng cung cấp một tập hợp đầy đủ thiết bị để thiết lập một mạng IP xương sống hoàn chỉnh cũng
như tất cả các loại dịch vụ nhằm giúp cho các nhà khai thác trở thành một nhà cung cấp dịch vụ Internet
toàn diện.

Ericsson đưa ra những giải pháp sóng mang dữ liệu tinh vi từ các Server truy nhập và các mạng xương
sống cho tới một nền tảng cung cấp dịch vụ hoàn chỉnh. Một vài ví dụ của giải pháp sang mang dữ liệu là
ATM và thiết bị chuyển mạch khung, bộ định tuyến xương sống và tập hợp, bộ định tuyến truy nhập IP. Các
dịch vụ về IP và giảI pháp Ericsson gồm một danh mục lớn và đầy đủ các sản phẩm từ điện thoại IP cho tới


các dịch vụ khách hàng.
Bài viết này sẽ đưa ra một cái nhìn toàn diện về giải pháp GPRS của Ericsson.
Trong phần 2, các node mới được thêm vào mạng GSM là SGSN và GGSN được gọi chung là GSN. Phần
3 mô tả về giải pháp BSS cho GPRS. Phần 4 nói về tác động lên bộ phận chuyển mạch của mạng. Phần 5
đề cập đến ảnh hưởng đối với tính cước, dự phòng và O&M. Phần cuối mô tả một số khía cạnh về xương
sống và chuyển giao.
2. Khối chức năng mới: Các node GSN
2.1. Chức năng của GSN
Hai nút mới của hệ thống GSM Ericsson phụ trách chuyển các gói dữ liệu được gọi là nút hỗ trợ phục vụ
GPRS (SGSN) và nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN). Cả SGSN và GGSN có thể được biểu thị bởi một khái
niệm chung là nút hỗ trợ GPRS (GSN).
SGSN cung cấp định tuyến gói tới và từ vùng SGSN địa lý, còn GGSN mang giao diện với các mạng gói IP
bên ngoài.
SGSN/GGSN tách biết vật lý hoàn toàn với bộ phận chuyển mạch của hệ thống GSM Ercisson. Khối điều
khiển trạm gốc (BSC) cần phải có một phần cứng mới được gọi là khối điểu khiển gói tin (PCU).
Những thành phần khác của cấu trúc GPRS của Ericsson sử dụng các khối chức năng của mạng GSM hiện
hành nhưng yêu cầu phải nâng cấp phần mềm.
Chức năng của SGSN và GGSN có thể được kết hợp trong cùng một node vật lý (khối chức năng của
mạng), hoặc có thể nằm ở các nút vật lý khác nhau. SGSN và GGSN mang chức năng GPRS của mạng IP
xuơng sống và được liên kết với bộ định tuyến IP.
Nhiệm vụ chính của SGSN:
- Định tuyến và truyền gói tin tới và từ vùng SGSN. Lưu lượng được định tuyến từ SGSN tới BSC, qua BTS
và tới trạm di động.
- Bảo mật trên truy nhập vô tuyến: mật mã và nhận thực

- Quản lý di động
- Quản lý kết nối logic tới trạm di động
- Kết nối tới các nút GSM: MSC, HLR, BSC, trung tâm dịch vụ tin nhắn ngắn, v.v…
- Đầu ra của dữ liệu tính cước (Bản ghi chi tiết cuộc gọi, CDR)
Nhiệm vụ chính của GGSN:
- Giao tiếp với mạng IP gói ngoài
- Chức năng bảo mật đối với Internet
- Quản lý phiên GPRS theo mức IP, cài đặt liên lạc với các mạng bên ngoài.
- Đầu ra dữ liệu tính cước (CDR)
2.2. Kiến trúc GSN
GSN được xây dựng trên nền tảng gói vô tuyến của Ericsson, một nền tảng chuyển mạch gói mới, đa năng
và hiệu suất cao.
Nền tảng gói vô tuyến của Ericsson kết hợp những tính năng thường là liên quan tới truyền thông dữ liệu
như là tính chắc chắn và thiết thực với những tính năng của truyền thông tin điện tử như mạnh và ổn định.
Những đặc điểm chính của nền tảng mới này là:
- Dựa trên những tiêu chuẩn của ngành cả về phần cứng và phần mềm
- Hệ thống có thể hỗ trợ sự tồn tại đồng thời của nhiều ứng dụng trong cùng một node. Điều này có nghĩa là
có thể hoạt động đồng thời trên một SGSN, một GGSN hay một SGSN/GGSN kết hợp trong cùng một phần
cứng.


- Bộ điều khiển và phần lưu lượng hoạt động với các bộ xử lý khác nhau. Có 3 loại bộ xử lý được sử dụng:
+ Bộ xử lý ứng dụng trung tâm (AP/C) cho những chứng năng thuộc trung tâm và có đặc điểm
chung, như O&M
+ Bộ xử lý ứng dụng (AP) để xử lý những chức năng đặc thù về GPRS như quản lý di động.
+ Bộ xử lý thiết bị được chuyên môn hóa để xử lý tải lưu lượng trong một giao diện nào đó như IP
qua giao diện ATM


Hình 2. Kiến trúc tách biệt cho lưu lượng và điều khiển

2.2.1. Hệ thống phụ GSN
Cấu trúc phần mềm bào gồm nhiều hệ thống phụ được triển khai trong lõi và các tính năng ứng
dụng:

Hình 3: Cấu trúc phần mềm trong nút GSN
Hệ thống phụ lõi (Core Subsystem)
Những hệ thống phụ dưới đây tạo thành hệ thống phụ lõi:
- Hệ thống phụ tính toán (CPS), thực hiện hỗ trợ bên trong và phần mềm quản lý.
- Hệ thống phụ môi trường giao diện lõi (CIS), cung cấp các giao diện vật lý và giao thức cho nút liên lạc
bên ngoài.
- Hệ thống phụ phần cứng lõi (CHS), hỗ trợ phần cứng cho các hệ thống phụ khác.
- Hệ thống phụ vận hành và bảo dưỡng (OMS), cung cấp tất cả các tính năng cần thiết cho các hoạt động
của O&M


- Hỗ trợ chung PXM (PCS), cung cấp tính năng cơ cấu để vận hành nút mạng.
- Hệ thống phụ giao diện người dùng lõi (CUI), chứa phần bổ sung của các giao diện đồ họa O&M
Hệ thống phụ ứng dụng
GSN bao gồm những hệ thống phụ sau:
- Hệ thống phụ truyền tải di động (MTS) triển khai các giao thức sử dụng trong mặt bằng truyền tải bởi nút
GSN
- Hệ thống phụ điều khiển di động điểm tới điểm (MPS) điều khiển tất cả các tính năng liên quan tới một kết
nối nào đó, ví dụ như quản lý tính di động.
- Hệ thống phụ đăng ký di động tạm trú (MVS) với tính năng VLR trong SGSN tương tự như trong MSC
- Hệ thống phụ tin nhắn ngắn di động (MSS) xử lý SMS thông qua GPRS
- Hệ thống phụ truy nhập mạng di động (MAS) chứa các server truy nhập dựa vào mạng gói bên ngoài.
- Hệ thống phụ phân phối và điều khiển các khối chức năng của mạng (NCS) với chức năng GPRS độc lập,
liên quan đến đa xử lý như điều khiển thiết bị
2.3. Phần cứng GSN
Phiên bản đầu tiên của GSN, GSN-25 được lắp đặt trong một tủ đơn 19”. GSN được cấu thành bởi các

thành phần sau:
- Tủ không được trang bị: seri BYB501
- Tài liệu không được trang bị: Mechanics, Backplane và hướng dẫn PCB, v.v…
- Bảng nguồn vầ Ethernet
- Bảng xử lý
- Bảng giao diện. Có một số loại khác nhau:
+ Bảng giao diện với các giao diện 4*E1 2 Mbps
+ Bảng giao diện với các giao diện 4*T1 1.5 Mbps
+ Bảng giao diện ATM đa chế độ cáp quang, một SDH/Sonet 155 Mbps với ATM và AAL5
+ Bảng giao diện Ethernet, một 10BaseT/100BaseTx

Hình 4: Cấu hình của GSN25
2.4. Đặc điểm của GSN


Bộ định tuyến IP
GSN của Ericsson gồm một bộ định tuyến tập trung. Tính năng định tuyến này được yêu cầu trong nút GSN
với 2 lý do chính:
- Được dùng như là bộ định tuyến sơ cấp/thứ cấp cho lưu lượng IP tới các mạng IP
- Mở rộng giao diện Gn/Gi
Bộ định tuyến cũng có thể lọc các gói IP trong tất cả các giao diện IP.
Cổng đường biên
Ericsson đưa cổng đường biên (Border Gateway – BG) vào GGSN. Nó chia sẻ các giao diện vật lý của
GGSN với các mạng bên ngoài và mạng xương sống. Một BG có thể xử lý nhiều hơn một PLMN.
Tính cước
Cả SGSN và GGSN đều có khả năng tính cước, ví dụ để tạo ra các bản ghi dữ liệu cước (Charging Data
Records (CDR)). Tính năng tính cước được thực hiện trong các node GSN kết hợp với thiết bị trung gian
như Cổng tính cước Ericsson mang lại cho nhà khai thác nhiều khả năng tính cước khác nhau như: khối
lượng dữ liệu, thời lượng cuộc gọi, loại dịch vụ, điểm tới, v.v…
Đầu ra từ GSNs là ASN.1/BER được mã hóa và truyền qua FTP theo cơ chế đẩy hoặc kéo (push or pull).

Sự phân phối động các địa chỉ IP
Sự phân phối các địa chỉ IP động cho phép nhà khai thác (hoặc mạng ISP/Corporate) sử dụng và tái sử
dụng các địa chỉ IP từ một tập hợp các địa chỉ IP được cấp cho PLMN/Network để tránh việc cần một địa
chỉ IP định cho mỗi PDP đã đăng ký của một thuê bao. Điều này làm giảm đáng kể số lượng địa chỉ IP được
yêu cầu ở mỗi mạng PLMN. Đây là cách thức được đề xuất để phân chia các địa chỉ IP.
Địa chỉ IP động có thể được phân phối bằng (hoặc qua) mạng khách GGSN hay mạng chủ GGSN khi
chuyển vùng (roaming). Trong trường hợp phân phối địa chỉ IP động mạng IP khách, tự GGSN khách hay
máy chủ RADIUS được lựa chọn bởi GGSN khách có thể được sử dụng để cung cấp địa chỉ IP động. Trong
trường hợp phân phối địa chỉ IP động mạng chủ, GGSN chủ hay máy chủ RADIUS được lựa chọn bởi
GGSN chủ có thể được sử dụng để cung cấp địa chỉ IP động.
GGSN chứa RADIUS khách có thể bổ sung một máy chủ RADIUS bên ngoài với các thông tin xác nhận từ
MS, và máy chủ RADIUS có thể trả lại một địa chỉ IP nếu nhận thực là chính xác. Đối với mỗi MS riêng biệt
có thể được định dạng máy chủ RADIUS nào để kết nối. Máy chủ RADIUS có thể được định vị tại ISP hay
tại site chung.
Một DHCP khách sẽ được đưa vào trong phiên bản sau của GGSN.
Chức năng bảo mật của GSN
Một bộ nhận thực chọn lọc cài đặt có thể ứng dụng cho tất cả các thuê bao của mạng chủ trong node được
hỗ trợ. Trị số cài đặt là số qui trình đính kèm và qui trình nâng cấp vùng định tuyến inter/intra-SGSN, nó
được phép xảy ra giữa mỗi qui trình nhận thực. Tuy nhiên, những nhận thực này luôn gắn với các thuê bao
khách. Nhận thực luôn được thực hiện để gán và nâng cấp inter-SGSN RA cho cả thuê bao chủ và thuê
bao khách.
Một tệp khóa được dùng cho các nỗ lực nhận thực không thành công. Khoá gồm có IMSI, IMEI, nếu có hiệu
lực, SGSN-ID, nhận dạng ô, thời gian và ngày của MS/máy cầm tay nhận thực không thành công.
GGSN đảm bảo lưu lượng cho một MS cụ thể đến từ đúng ISP, ví dụ ISP mà MS được kết nối tới trong
suốt quá trình kích hoạt PDP
Những kết nối an toàn có thể được cung cấp ở lớp 1, sử dụng đường dây chuyên dụng, ở lớp 2 sử dụng
ATM PVC, chuyển tiếp khung PVC, hoặc PPP, hoặc ở lớp 3 sử dụng IPSec. Cũng có thể kết hợp tất cả yếu
tố nêu trên.
GGSN có thể truy nhập vào máy chủ RADIUS, nó có thể được định vị ở mạng số liệu bên ngoài/ISP. Nó
cung cấp nhận thực cho mức IP truy nhập vào ISP.

GSN hỗ trợ tính năng IPsec. Tính năng này có thể được sử dụng để cung cấp một mạng xưong sống intra-
PLMN an toàn và kết nối tới các mạng bên ngoài như mạng ISP, các mạng kết hợp và các mạng PLMN
khác.
Các lựa chọn gói lọc khác nhau có hiệu lực để bảo vệ GGSN khỏi sự xâm nhập hay từ chối của các tác
động bao gồm nguồn, điểm tới, giao thức, số cổng v.v… Xem phần bộ định tuyến.
Xử lý tải trong SGSN
Trong một khoảng thời gian, tất cả gói tin từ QoS Delay Class 1 được phát đi trước các gói tin từ QoS class
2, và các gói từ QoS Class 2 được phát đi trước các gói từ QoS class 3. v.v…
Lưu lượng tới/từ các MS có cùng loại Qos Delay có thể phải xếp thứ tự, ví dụ vào trước-ra trước, trong mỗi
loại QoS.
Trong các tình huống quá tải báo động sẽ tăng, và SGSN sẽ loại bỏ PDU theo hệ thống để duy trì các mức
QoS đã xác định càng lâu càng tốt, chẳng hạn ưu tiên cho QoS Class 1 trước QoS Class 2, v.v…
Chất lượng dịch vụ (QoS)
Tài liệu GPRS QoS được bổ sung theo GSM 03.60, ngoại trừ loại độ tin cậy. Chỉ có độ tin cậy loại 2 và 3
được bổ sung vì chúng thích hợp nhất cho số liệu IP.
SGSN ứng dụng chức năng Admission Control trong mỗi yêu cầu kích hoạt PDP. Chức năng này hoặc là
đưa đến quá trình xử lý tiếp yêu cầu, thỏa thuận của QoS với MS hay từ chối yếu cầu kích hoạt PDP.
SGSN thỏa thuận QoS với MS khi mức độ QoS được yêu cầu bởi MS không được hỗ trợ bởi việc kích hoạt
PDP hay khi mức QoS được thỏa thuận từ SGSN trước đó có thể được hỗ trợ bởi việc nâng cấp vùng định
tuyến inter-SGSN. Thỏa thuận QoS theo MS phụ thuộc vào dữ liệu thuê bao được lưu, QoS được yêu cầu
và độ rộng dải thống kê trung bình, được báo cáo từ BSC trên mỗi ô tế bào (cell).
Từ chối yêu cầu có thể xảy ra khi số lượng các thuê bao được gán đồng thời trên mỗi SGSN vượt quá mức
tối đa quy định trước.
Ngăn xen theo luật
Ngăn xen theo luật (LI) sẽ được bổ sung. Việc bổ sung cho LI gồm có:
 - Dữ liệu tải IP
 - Tính lưu động và các sự kiện
 - SMS

2.5. Giao diện và giao thức
Các loại giao diện trong GSN có thể được chia thành 3 nhóm chính sau:
 - Giao diện dựa trên chuyển tiếp khung: Gb (SGSN)
 - Giao diện dựa trên SS7: Gs, Gr và Gd (SGSN)
 - Giao diện dựa trên IP qua “bất kỳ”: Gn (SGSN và GGSN) Gi, Gp (GGSN)
Dựa trên chuyển tiếp khung: Giao diện Gb (SGSN-BSS)
Tiêu chuẩn ETSI qui định chuyển tiếp khung phảI được dùng trên giao diện Gb giữa BSC và SGSN.
Chuyển tiếp khung sẽ chuyển giao trong suốt PDU dịch vụ mạng giữa SGSN và một BSC. Một SGSN có
thể được kết nối tới một vài BSC. Ngược lại một BSC chỉ có thể được nối tới một SGSN. Một BSC có thể
sử dụng một hay nhiều kết nối vật lý để nối tới một SGSN. Gb hỗ trợ FR thông qua các kết nối vật lý như E1
hay T1. Các giao diện có thể được sử dụng trong các cấu hình dưới đây:
 - Không tạo kênh (non- channelised)
 - Tạo kênh (channelised)
 - Phân đoạn
Việc thực hiện giao diện Gb trong GSN của Ericsson là hoàn thoàn mở theo như tiêu chuẩn ETSI.
Các giao diện dựa trên SS7: Gs, Gr và Gd (SGSN tới MSC, HLR và SMS-SC)


Giao thc SS7 c s dng trờn giao din Gd (SMS-SC0, Gs (MSC) v Gr (HLR). Cỏc giao din ny l
hon ton m, v vic trin khai ca Ericsson c phi hp vi cỏc tiờu chun GPRS liờn quan.
SGSN s phi liờn lc vi mt s lng ln HLR, MSC/VLR v SMS-GMSC v SMS-IWMSC trong mng
PLMN ni b cng nh trong cỏc mng PLMN ca cỏc MS khỏch. SGSN vỡ vy s c kt ni ti mt s
im chuyn giao bỏo hiu (STP, c bit l mt hoc hai), nhng im c kt ni ti mng SS7 ton
cu.
Cỏc giao din IP qua bt c giao din no: Gn, Gi v Gp
Tờn gi chung chung IP qua giao din no bao gm cỏc loi giao din sau: Gn (giao din SGSN-GGSN),
Gi (GGSN mng IP) v Gp (GGSN-mng PLMN khỏc). Cú mt s la chn trin khai cỏc giao din ny
vi GSN ca Ericsson.
IP qua PPP: Ip qua PPP ng b hoỏ c h tr nh ó c nờu trong RFC 1548. Lp vt lý h tr l
E1 hoc T1

IP qua ATM: IP c chuyn sang AAL5. Nú c chuyn sang lp vt lý l SDH STM-1 hoc SONET
STS-3c (155Mbps)
IP qua Ethernet v Fast Ethernet: Giao din Ethernet 10 Base-T (10Mbps) v 100BaseTx (100Mbps) c
b sung. C hai loi giao din ny c h tr trờn cựng giao din vt lý v cú th c cu hỡnh chy
thc,vi giao din khụng hot ng, ti 10/100 Mbps.
2.6. Kh nng thc hin v dung lng
Ericsson cung cp hai sn phm GSN cú th c nh dng l mt SGSN, mt GGSN hay mt
SGSN/GGSN kt hp:
GSN-25: Vi hai nỳt mng nh hn. Cu hỡnh ny c cung cp trong phiờn bn u tiờn v nhm mc
ớch nh l mt sản phẩm mở đầu cho phộp y nhanh vic trin khai dch v GPRS.
GSN-100: Hai nỳt mng ln hn. Nỳt mng ny cú cựng dung lng ging nh GSN-25 nhng cú dung
lng cho phộp truyn qua, s lng ngi dựng v s lng phm vi PDP hot ng. Nú s c a ra
nhng phiờn bn tip theo.
Bng 1 cho thy dung lng ca GSN-25 v GSN-100 v s lng ngi dựng c gỏn ng thi, s
lng phm vi PDP v dung lợng cho phép truyền qua. Hai yu t gii hn ca GSN dung lợng cho phép
truyền qua l s lng gúi tin mi giõy v s lng bớt mi giõy. Nỳt cú kớch thc gúi tin 300 byte mi gúi
(bao gm tiờu IP). Con s 300 bytes mi gúi tin gn vi kớch thc c tớnh toỏn trung bỡnh trong cỏc
mng IP ln. Nu kớch thc gúi tin nh hn, s gúi tin mi giõy s b hn ch, i vi cỏc gúi tin di hn
tc bit ti a tớnh theo Mbps s l gii hn.
Bng 1.
GSN-25 S lng ngi s
dng c gỏn ng
thi ti a
S lng phm vi
PDP ng thi ti a
Thụng lng ti a
(gúi trờn mi giõy)
Thụng lng ti
a (Mbps)
SGSN-25 25,000 25,000 10,000 25

GGSN-25 - 35,000 15,000 35
SGSN/GGSN-25 25,000 25,000 7,000 15

GSN-100 S lng ngi s
dng c gỏn ng
thi ti a
S lng phm vi
PDP ng thi ti a
Thụng lng ti a
(gúi trờn mi giõy)
Thụng lng ti
a (Mbps)
SGSN-100 100,000 100,000 40,000 100
GGSN-100 - 150,000 60,000 150
SGSN/GGSN-100 100,000 100,000 28,000 70