Tổng quan hệ thống thông tin di động 3G và 4G

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
---------

BÁO CÁO HỆ THỐNG VIỄN THÔNG
ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
3G – 4G

GVHD: ThS. LẠI NGUYỄN DUY
NHÓM: 09
LỚP: DV13

TP.HỒ CHÍ MINH, 11- 2017


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến với
sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi (802.1x),
WiMax (802.16)... Cùng với đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh của mạng viễn
thông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu người mỗi ngày. Hệ thống di động
thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh
mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện
rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu
biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu
truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người

sử dụng.
Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát
triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt
đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều
tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE
(Long Term Evolution). Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ
năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất
gần.
Hệ thống thông tin di động tuy rất thực tế và gần gũi với mỗi người trong xã
hội ngày nay, tuy vậy không phải ai cũng hiểu rõ về hệ thống này. C hính vì vậy,
nhóm em đã lựa chọn đề tài “Hệ thống thông tin di động 3G – 4G” để nghiên
cứu làm bài tập lớn.
Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do hạn chế về những hiểu biết nên đồ án
không tránh khỏi thiếu sót trong cả nội dung lẫn cách trình bày. Để đồ án được
hoàn thiện hơn, em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của thầy giáo cũng
như các bạn sinh viên để nhóm em có thêm kinh nghiệm và hoàn thiện bài báo cáo
tốt hơn.

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
i


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................................... i
MỤC LỤC.......................................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH...........................................................................................................iv
9.1. Khái niệm hệ thống thông tin di động..........................................................................1
9.1.2 Các đặc tính cơ bản của hệ thông thông tin di động ............................................2

9.1.3 Các đặc điểm truyền sóng.......................................................................................3
9.1.4 Hệ thống thông tin di đông thứ nhất (1G)...............................................................4
9.1.5 Hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)......................................................4
9.1.5.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

..............................................4

9.1.5.2 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.........................................................5
9.1.6 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G-GPRS......................................................6
9.2. Lộ Trình Phát Triển Từ GSM Lên 3G..........................................................................6
9.2.1 Tiêu chí và giải pháp nâng cấp...............................................................................6
9.2.2. Lộ trình phát triển..................................................................................................8
9.2.2.1 Hệ thống thông tin di động GSM( Global System for Mobile
Communications)........................................................................................................9
9.2.2.2. Các công nghệ nâng cấp lên 3G...................................................................10
9.2.2.3. Công nghệ 3G W-CDMA.............................................................................32
9.3 3G & 3.5G.................................................................................................................. 33
9.3.1 Tổng quan 3G.......................................................................................................33
9.3.1.1 Thế nào là 3G................................................................................................33
9.3.1.2 Lịch sử phát triển của 3G trên thế giới..........................................................34
9.3.1.3 Các yêu cầu cơ bản của hệ thống 3G.............................................................34
9.3.2 Các chuẩn di động 3G..........................................................................................35
9.3.3 WCDMA..............................................................................................................36
9.3.3.1 Nguyên lý CDMA.........................................................................................36
9.3.3.2 Một số đặc trưng của lớp vật lý trong hệ thống WCDMA.............................38
9.3.3.3 Cấu trúc mạng 3G WCDMA.........................................................................40
GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
ii

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
9.3.3.4 Các kênh cơ bản của WCDMA.....................................................................42
9.3.4 Tổng quan HSDPA (3.5G)...................................................................................45
9.4 Tổng quan công nghệ LTE..........................................................................................46
9.4.1 Giới thiệu.............................................................................................................. 46
9.4.2 Tổng quan về công nghệ LTE...............................................................................47
9.4.3 Cấu trúc hệ thống LTE..........................................................................................50
9.4.3.1 Cấu trúc.........................................................................................................51
9.4.4 Truy nhập vô tuyến...............................................................................................60
9.4.4.1 TRuy nhập đường xuống...............................................................................61
9.4.4.2 Truy nhập đường lên..........................................................................................63
9.4.5 Đa truy nhập MIMO............................................................................................65
9.4.6 Các Thủ Tục Truy Nhập.......................................................................................66
9.4.6.1 Thủ tục dò tìm ô............................................................................................66
9.4.6.2 Truy nhập ngẫu nhiên....................................................................................71
9.5 Tổng quan công nghệ LTE-Advance...........................................................................81
9.5.1 Tại sao phải chuyển 3G lên 4G.............................................................................84
9.5.1.1 Tốc độ vượt trội ra sao so với 3G.................................................................84
9.5.1.2 Tốc độ download...........................................................................................84
9.5.1.3 Tốc độ upload................................................................................................85
9.5.1.4 Độ trễ.............................................................................................................85
9.6 So sánh 3G – 4G, triển khai và ứng dụng....................................................................85
9.6.1 So sánh.................................................................................................................85
9.6.2 Triển khai 3G lên 4G ở thế giới và Việt Nam.......................................................86
9.6.3 Lý do khiến công nghệ sim 4G được chờ đón trong tương lai..............................87
9.6.4

Ứng dụng được mong đợi nhất khi mạng 4G được triển khai...........................88

9.6.5 BẢO MẬT TRONG 4G.......................................................................................90

KẾT LUẬN....................................................................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................95

DANH MỤC HÌNH
GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
iii


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
Hình 9. 1 Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G.................................................................7
Hình 9. 2 Quá trình nâng cấp GSM lên W-CDMA...........................................................................8
Hình 9. 3 Lộ trình nâng cấp GSM lên W-CDMA.............................................................................9
Hình 9. 4 Cấu trúc hệ thống HSCSD..............................................................................................10
Hình 9. 5 Cấu trúc mạng GPRS.....................................................................................................14
Hình 9. 6 Nhập mạng GPRS...........................................................................................................28
Hình 9. 7 Các công nghệ đa truy nhập...........................................................................................37
Hình 9. 8 Quá trình trải phổ và trộn..............................................................................................38
Hình 9. 9 Cấu trúc Cell UMTS.......................................................................................................39
Hình 9. 10 Cấu trúc UMTS.............................................................................................................40
Hình 9. 11 Cấu trúc kênh cơ bản của CDMA.................................................................................42
Hình 9. 12 Cấu trúc kênh logic......................................................................................................43
Hình 9. 13 Cấu trúc kênh vật lý......................................................................................................44
Hình 9. 14 Giải pháp hình thành 4G..............................................................................................46
Hình 9. 15 Cấu trúc mạng LTE......................................................................................................51
Hình 9. 16 Cấu trúc mạng LTE phân theo lớp...............................................................................52
Hình 9. 17 Phân chia chức năng giữa E- UTRANS và EP.............................................................53
Hình 9. 18 Mạng truy cập LTE.......................................................................................................56
Hình 9. 19 OFDM và SC-FDMA....................................................................................................61
Hình 9. 20 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA.........................................................................62
Hình 9. 21 Phát và thu OFDMA.....................................................................................................63

Hình 9. 22 Kỹ thuật trải phổ DFT-OFDM......................................................................................64
Hình 9. 23 Ví dụ công nghệ MIMO................................................................................................65
Hình 9. 24 Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp & thứ cấp ( giả thiết chiều dài tiền tố vòng bình thường
........................................................................................................................................................68
Hình 9. 25 Tổng quan về thủ tục truy nhập ngẫu nhiên.................................................................72
Hình 9. 26 Minh họa cơ bản cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên........................75
Hình 9. 27 Định thời phần mở đầu tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập ngẫu nhiên khác
nhau................................................................................................................................................76
Hình 9. 28 Sự phát hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số...........................77

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
iv


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G

NỘI DUNG CHÍNH

9.1. Khái niệm hệ thống thông tin di động
Là mạng lưới thông tin liên lạc mà không phụ thuộc bất kỳ kết nối vật lý nào
giữa các điểm giao tiếp và có sự linh hoạt trong vấn đề di chuyển.

9.1.1 Lịch sử và sự phát triển
Từ cuối thế kỷ 18 – 19, công nghệ phát thanh số bằng truyền thông và điện đã được phát
triển và sử dụng rộng rãi nhờ các phát minh của Hertz và Marconi. Nhờ các phát minh này
mà thế giới đã thay đổi rất nhiều, cũng trong thời gian này hàng loạt các phát minh về tín
hiệu điện, công nghệ thông tin điện tử ra đời.
Tổng đài điện thoại đầu tiên được thiết lập năm 1876 ngay sau khi Alexander Graham
Bell phát minh ra điện thoại và sau đó gọi là dịch vụ gọi điện thoại đường dài đầu tiên đã
được lắp đặt nhằm liên lạc giữa hai thành phố là NewYork và Chicago.

Năm 1946, hệ thống điện thoại thương mại đầu tiên đã được đưa vào hoạt động ở thành
phố Saint Louis – Hoa Kỳ, tuy nhiên dịch vụ này có nhiều nhược điểm do những nguyên
nhân về số lượng kênh bị hạn chế, có thể bị nhiễu cùng kênh nên đòi hỏi phải phân cách
về mặt vật lý qúa lớn.
Năm 1947, phòng thí nghiệm điện thoại Bell bắt đầu bắt tay vào khảo sát một khái niệm
tái sử dụng tần số nhờ sử dụng các tế bào nhỏ (cell) với các máy di động công suất thấp.
Các tế bào này có thể liên kết với nhau nhờ sử dụng một máy tính cho phép thuê bao có
thể di động trong khi số lượng thuê bao cùng một lúc gia tăng đáng kể mà hệ thống vẫn có
thể phục vụ được.
Năm 1982 mạng điện thoại tế bào của Hoa kỳ là dịch vụ điện họa di động tiên tiến
AMPS được đưa vào sử dụng, dựa trên thiết kế ban đầu của AT & M và Motorla. Đây là
mạng điện thoại tượng tự sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA).
Mạng này cho thấy sự thay đổi vượt bậc về dung lượng chất lượng, hiệu quả sử dụng tần
số và độ phức tạp của hệ thống, chúng cho phép người sử dụng có thể liên lạc với bất kỳ
đối tượng nào trong mạng di động cũng như mạng điện thoại công cộng (PSTN). AMPS
được sử dụng rộng rãi ở khoảng 70 nước trên thế giới và nó đang là tiêu chuẩn được sử
dụng rỗng rãi nhất hiện nay. Ngoài ra còn phải kể đến một số tiêu chuẩn thông dụng khác

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
1


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
là: NMT (Nordic Mobile Telephone - Điện thoại 11 di động Bắc Âu), TACS (Total Access
Communication Service - Dịch vụ truyền thông hoàn toàn truy nhập).
Trong những năm cuối của thập niên 80, mạng điện thoại di động tế bào số TDMA được
sử dụng rộng rãi, điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. Sự ra đời của hệ
thống GSM có thể nói là do các nước khác nhau ở Châu Âu sử dụng tiêu chuẩn mạng tế
bào khác nhau, cho nên cần có một tiêu chuẩn duy nhất để cung cấp khả năng chuyển
vùng (các tiêu chuẩn khác nhau không chỉ sử dụng các giao thức khác nhau mà còn hoạt

động ở các tần số khác nhau, vì vậy không thể có tính tương thích toàn cầu). Ngoài các
dịch vụ truyền thông thì GSM còn cung cấp nhiều loại dịch vụ mới như truyền fax, số
liệu, truyền tin nhắn. Do những ưu điểm vượt trội mà hệ thống GSM đã được phát triển
như một dịch vụ số hóa hoàn toàn có thể dùng được ở Châu Âu và nhiều nước khác trên
thế giới.
Ngày nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng mà các nhà cung cấp
dịch vụ viễn thông trên thế giới đã không ngừng khám phá sáng tạo và phát triển nhiều
loại hình mới như CDMA có nhiều dịch vụ mới cũng như đặc tính ƣu việt. Công nghệ này
sử dụng kỹ thuật trải phổ và đã có ứng dụng chủ yếu trong quân sự, đƣợc thành lập năm
1985. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ hay các hệ
thống nâng cấp CDMA2000, WCDMA…Những hệ thống viễn thông này có thể đáp ứng
mọi tiện ích, nhu cầu mà người sử dụng có thể yêu cầu ở nhà cung cấp dịch vụ viễn thông

9.1.2 Các đặc tính cơ bản của hệ thông thông tin di động
Ngoài nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ mạng điện thoại thông thường, các mạng
thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù cho mạng để đảm bảo thông tin
di động mọi lúc mọi nơi. Để thực hiện chức năng này mạng thông tin di động phải
đảm bảo đạt được một số đặc tính sau đây:
1. Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt đƣợc dung lƣợng cao do sự hạn chế
của dải tần vô tuyến sử dụng cho thông tin di động.
2. Đảm bảo chất lượng truyền dẫn theo yêu cầu. Do đặc điểm của mạng thông tin di
động là sự truyền dẫn được thực hiện bằng vô tuyến là môi trường truyền dẫn hở nên tín
hiệu dễ bị ảnh hưởng của nhiễu phadinh. Các hệ htống thông tin di động phải có khả năng
hạn chế 12 tối đa các ảnh hưởng này. Ngoài ra để tiết kiệm băng tần ở mạng thông tin di
động số có thể sử dụng các CODEC (Coder and Decoder) tốc độ thấp. Nên phải thiết kế
các CODEC này theo công nghệ đặc biệt để đạt được chất lượng truyền dẫn cao.
3. Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất. Môi trường truyền dẫn vô tuyến là môi trường dễ
bị nghe trộm và sử dụng trộm đường truyền nên để đảm bảo quyền lợi thuê bao cần giữ bí
GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
2

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
mật số nhận dạng thuê bao và kiểm tra tính hợp lệ của họ khi thâm nhập mạng. Để chống
nghe trộm cần mật mã để mã hóa thông tin của người sử dụng.
4. Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao chuyển từ vùng phủ sóng này sang vùng phủ
sóng khác.
5. Cho phép triển khai các dịch vụ mới nhất là các dịch vụ phi thoại.
6. Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế (International Roaming).
7. Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ, tiêu tốn ín năng lượng.

9.1.3 Các đặc điểm truyền sóng
Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động là tín hiệu thu được ở máy thu thay đổi so
với tín hiệu phát đi cả về tần số, biên độ, pha và độ trễ.Các thay đổi này có tính chất rất
phức tạp, ngẫu nhiên ảnh hưởng tới chất lượng liên lạc. Về cơ bản chúng có thể phân chia
các ảnh hưởng truyền sóng này thành: ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, tổn hao đường
truyền, phadinh đa đường và trải trễ.
Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu so với tín hiệu được phát đi, gây bởi
chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu trong quá trình truyền sóng. Tổn hao
trên đường truyền là sự suy giảm mức điện thu so với mức điện phát.
Trong không gian truyền sóng tự do, mức điện trung bình thu do công suất tín hiệu trên
một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm theo bình phương khoảng cách giữa các anten
thu và phát.
Pha-dinh là hiện tượng cường độ điện trƣờng tại điểm thu thay đổi do sự bức xạ nhiều
tia.
Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đặc tính truyền dẫn đa đường còn phụ thuộc
nhiều vào tỷ số giữa độ dài một dấu (sysmbol) và độ trải trễ (delay spread) của kênh vô
tuyến biến đổi theo thời gian. Độ trải trễ có thể xem như độ dài tín hiệu thu được khi một
xung cực hẹp được truyền đi. Nếu số liệu được truyền đi với tốc độ thấp thì sự trải trễ có
thể đƣợc giải quyết rõ ràng tại phần thu.

Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ.
Dựa vào các đặc điểm và phân loại mà các hệ thống thông tin di động đƣợc chia ra làm 3
loại:
-Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
-Hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
-Hệ thông thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
3


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
9.1.4 Hệ thống thông tin di đông thứ nhất (1G)
Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu
tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật
vào năm 1979. Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là:
 NMT (Nordic Mobile Telephone – Điện thoại di động Bắc Âu) được sử dụng
ở các nƣớc Bắc Âu, Tây Âu và Nga.
 AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – Hệ thống điện thoại di động tiên
tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc.
 TACS (Total Access Communication Sytem – Hệ thống truyền thông truy
nhập toàn phần) được sử dụng ở Anh.
Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịch vụ truyền chủ yếu là thoại.
Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Những điểm yếu của thế
hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin
cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không
thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng

9.1.5 Hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về chất lượng và số lượng, hệ thống

thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di
động dựa trên công nghệ số. Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế
số, và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:
Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA)
Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)
9.1.5.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
Được sử dụng hầu hết trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 2, đặc điểm
của nó là dễ dàng mở các dịch vụ phi thoại, thiết bị trạm BS đơn giản do chỉ cần
một máy thu phát làm việc trên một tần số ứng với đường lên xuống cho nhiều
người sử dụng.
Với phương pháp truy cập TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và trục thời
gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử dụng sao
cho không có sự chồng chéo. Phổ qui định cho liên lạc di động được chia thành các dải
tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
4


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài
xen thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát một khe thời gian trong cấu trúc khung.
Đặc điểm:
-Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
-Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó một băng
tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băng tần
được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc chia băng tần như vậy
cho phép máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không can nhiễu nhau.
-Giảm số máy thu phát ở BTS.
-Giảm nhiễu giao thoa.

-Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM.
9.1.5.2 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể
chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn
nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng
không trùng với bất kỳ ai. Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại ở mỗi ô (cell) trong toàn
mạng, và những kênh này cũng được phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ giả nhẫu nhiên
PN (Pseudo Noise).
Công nghệ này có tính bảo mật cao hơn TDMA và GSM nhờ hệ thống kích hoạt thoại,
hiệu suất tái sử dụng tần số trải phổ cao và điều khiển năng lượng, nên nó cho phép quản
lý số lượng thuê bao cao gấp 5 - 20 lần so với công nghệ GSM áp dụng kỹ thuật mã hóa.
Đặc điểm:
-Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
-Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
-Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường hiệu quả hơn
FDMA, TDMA.
Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một thế hệ trung gian là
2,5G sử dụng công nghệ TDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ 2G nếu
không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được sử dụng như: GPRS, EDGE và
CDMA 2000-1x. Điển hình của hệ thống thông tin di động 2,5G là mạng GPRS.

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
5


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
9.1.6 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G-GPRS
Có thể coi GPRS là phần mở rộng của cấu trúc mạng GSM đã có sẵn từ trước sử dụng
kỹ thuật gói để truyền báo hiệu cũng như truyền số liệu một cách hiệu quả nhất. GPRS tối
ưu hóa việc sử dụng các nguồn tài nguyên vô tuyến cũng như hạ tầng mạng. Việc tách

riêng các hệ thống vô tuyến (radiosystem) với hệ thống con của mạng (network
Subsystem) cho phép phần hệ thống con của mạng có khả năng sử dụng các công nghệ
truy nhập vô tuyến khác nhau. GPRS không làm thay đổi các chức năng cơ bản sẵn có của
GSM mà tận dụng một cách tối đa các thiết bị hiện có trong mạng GSM.
Mục tiêu chính của GSM là cung cấp một chế độ truyền dẫn gói hiệu quả từ đầu đến cuối
cho phép người sử dụng có thể truy cập mạng mà không cần sử dụng thêm một thiết bị
phụ trợ nào khác với chi phí thấp.
Điểm quan trọng và cơ bản nhất của giải pháp GPRS là hệ thống sử dụng một cách hiệu
quả tài nguyên vô tuyến, nghĩa là nhiều khách hàng có thể chia sẻ cùng băng thông và
được một cell duy nhất phục vụ.
GPRS còn hỗ trợ giao thức IP. Đây là một giao thức đƣợc dùng phổ biến nhất trên thế
giới để truyền số liệu vì vậy GPRS có khả năng kết nối với nhiều thiết bị hệ thống khác
nhau.
Một đặc điểm khác cũng rất quan trọng của GPRS là nó sử dụng các giao diện mở. Các
giao diện sử dụng trong GPRS đều là các giao diện chuẩn, do vậy người sử dụng có thể sử
dụng các thiết bị do các nhà sản xuất khác nhau cung cấp.

9.2. Lộ Trình Phát Triển Từ GSM Lên 3G
9.2.1 Tiêu chí và giải pháp nâng cấp
 Tiêu chí
Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông đa phương tiện trên phạm vi toàn
cầu đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống GSM sẽ được nâng cấp từng bước lên thế hệ
ba. Thông tin di động thế hệ ba có khả năng cung cấp dịch vụ truyền thông multimedia
băng rộng trên phạm vi toàn cầu với tốc độ cao đồng thời cho phép người dùng sử dụng
nhiều loại dịch vụ đa dạng. Việc nâng cấp GSM lên 3G được thực hiện theo các tiêu chí
sau:
- Là mạng băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện trên phạm vi toàn
cầu. Cho phép hợp nhất nhiều chủng loại hệ thống tương thích trên toàn cầu

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy

6


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
- Có khả năng cung cấp độ rộng băng thông theo yêu cầu nhằm hỗ trợ một dải rộng
các dịch vụ từ bản tin nhắn tốc độ thấp thông qua thoại đến tốc độ dữ liệu cao khi truyền
video hoặc truyền file. Đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và
khả năng chuyển mạch gói cho dịch vụ số liệu. Ngoài ra nó còn hỗ trợ đường truyền vô
tuyến không đối xứng để tăng hiệu suất sử dụng mạng (chẳng hạn như tốc độ bit cao ở
đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên).
- Khả năng thích nghi tối đa với các loại mạng khác nhau để đảm bảo các dịch vụ
mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điện thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép
mở rộng đáng kể vùng phủ sóng của các hệ thống di động.
- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để bảo đảm sự phát triển
liên tục của thông tin di động. Tương thích với các dịch vụ trong nội bộ IMT-2000 và với
các mạng viễn thông cố định như PSTN/ISDN. Có cấu trúc mở cho phép đưa vào dễ dàng
các tiến bộ công nghệ, các ứng dụng khác nhau cũng như khả năng cùng tồn tại và làm
việc với các hệ thống cũ.
 Các giải pháp nâng cấp
Có hai giải pháp nâng cấp GSM lên thế hệ ba: một là bỏ hẳn hệ thống cũ, thay thế
bằng hệ thống thông tin di động thế hệ ba; hai là nâng cấp GSM lên GPRS và tiếp đến là
EDGE nhằm tận dụng được cơ sở mạng GSM và có thời gian chuẩn bị để tiến lên hệ
thống 3G W-CDMA. Giải pháp thứ hai là một giải pháp có tính khả thi và tính kinh tế cao
nên đây là giải pháp được ưa chuộng ở những nước đang phát triển như nước ta.

Hình 9. 1 Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G
lên 3G
Giai đoạn đầu của quá trình nâng cấp mạng GSM là phải đảm bảo dịch vụ số liệu tốt hơn,
có thể hỗ trợ hai chế độ dịch vụ số liệu là chế độ chuyển mạch kênh (CS: Circuit
Switched) và chế độ chuyển mạch gói (PS: Packet Switched). Để thực hiện kết nối vào

mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụng giao thức ứng dụng vô tuyến (WAP: Wireless
Application Protocol). WAP chứa các tiêu chuẩn hỗ trợ truy cập internet từ trạm di động.
Hệ thống WAP phải có cổng WAP và chức năng kết nối mạng.
GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
7


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G

Hình 9. 2 Quá trình nâng cấp GSM lên W-CDMA

Data Speed

WCDMA

2Mbps
GPRS

171.2Kbp
s

HSCSD

9.6Kbps

GSM

Trong giai đoạn tiếp theo, để tăng tốc độ số liệu có thể sử dụng công nghệ số liệu
chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD: High Speed Circuit Switched Data) và dịch vụ vô
tuyến gói chung (GPRS: General Packet Radio Protocol Services). GPRS sẽ hỗ trợ WAP

có tốc độ thu và phát số liệu lên đến 171.2Kbps. Một ưu điểm quan trọng của GPRS nữa
là thuê bao không bị tính cước như trong hệ thống chuyển mạch kênh mà cước phí được
tính trên cơ sở lưu lượng dữ liệu sử dụng thay vì thời gian truy cập.
Dịch vụ GPRS tạo ra tốc độ cao chủ yếu nhờ vào sự kết hợp các khe thời gian, tuy

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
8


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
nhiên kỹ thuật này vẫn dựa vào phương thức điều chế nguyên thuỷ GMSK nên hạn chế
tốc độ truyền. Bước nâng cấp tiếp theo là thay đổi kỹ thuật điều chế kết hợp với ghép khe
thời gian ta sẽ có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, đó chính là công nghệ EDGE.
EDGE vẫn dựa vào công nghệ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói với tốc độ tối
đa đạt được là 384Kbps nên sẽ khó khăn trong việc hỗ trợ các ứng dụng đòi hỏi việc
chuyển mạch linh động và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn. Lúc này sẽ thực hiện nâng cấp
EDGE lên W-CDMA và hoàn tất việc nâng cấp mạng GSM lên 3G.
Công nghệ điện thoại di động phổ biến nhất thế giới GSM đang gặp nhiều cản trở và
sẽ sớm được phát triển bằng những công nghệ tiên tiến hơn, hỗ trợ tối đa các dịch vụ như
Internet, truyền hình…

9.2.2. Lộ trình phát triển
Lộ trình nâng cấp GSM lên W-CDMA như sau:

Hình 9. 3 Lộ trình nâng cấp GSM lên W-CDMA
9.2.2.1 Hệ thống thông tin di động GSM( Global System for Mobile Communications)
Hệ thống thông tin di động GSM cung cấp các dịch vụ thoại và số liệu trên cơ sở
chuyển mạch kênh băng thông hẹp. Do đó tốc độ truyền thấp, 13 kbit/s với truyền thoại và
9,6 kbit/s với truyền số liệu. Tốc độ này không đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của
người sử dụng về các dịch vụ mới như truyền số liệu tốc độ cao, điện thoại có hình, truy

cập Internet tốc độ cao từ máy di động và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện khác.
Vì những lí do trên, các nhà khai thác GSM đang từng bước nâng cấp mạng GSM lên một
hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3. Con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là
CDMA băng thông rộng. Trên thị trường châu Âu, W-CDMA được gọi là hệ thống viễn
thông di động toàn cầu UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Trong cấu
trúc dịch vụ 3G cần có băng thông rất lớn và như thế cần nhiều phổ tần hơn. Tuy nhiên
việc loại bỏ hẳn công nghệ đang dùng để tiếp cận ngay mạng 3G là rất tốn kém về mặt
kinh tế. Vì vậy họ phải chọn giải pháp nâng cấp mạng GSM qua bước trung gian 2,5G để
tạm thời đáp ứng nhu cầu của người sử dụng cũng như chuẩn bị cơ sở hạ tầng kỹ thuật sau
đó mới tiến lên 3G. Nói chung 2,5G bao gồm một hoặc tất cả các công nghệ sau:

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
9


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
- Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD)
- Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS)
- Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GMS (EDGE)
HSCSD (High Speed Circuit Switched Data): Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ
cao.
GPRS (General Packet Radio Service): Dịch vụ vô tuyến gói chung.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ số liệu tăng cường để
phát triển GSM.
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access): Đa truy cập phân mã băng
rộng.
Ta sẽ lần lượt tìm hiểu từng giai đoạn của quá trình phát triển của GSM lên 3G trong
các phần tiếp theo một cách cụ thể.
9.2.2.2. Các công nghệ nâng cấp lên 3G
 Công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD

GSM chỉ hỗ trợ các dịch vụ số liệu với tốc độ cực đại mà một khe thời gian có thể
cung cấp là 9,6 kbit/s. Để hỗ trợ tốc độ số liệu cao hơn cho GSM, MS phải sử dụng
nhiều khe thời gian. Công nghệ HSCSD sử dụng nguyên tắc này.
Công nghệ HSCSD cho phép nâng cao khả năng truyền số liệu trên mạng GSM bằng
cách cấp phát nhiều khe thời gian hơn cho người sử dụng. HSCSD phối hợp 4 kênh thoại
GSM 14,4 kbit/s thành một kênh 57,6 kbit/s. Đối với dịch vụ số liệu thì tốc độ tối đa là 64
kbit/s đạt được với 4 khe thời gian. Dữ liệu truyền trong dịch vụ HSCSD được hình thành
dưới dạng các luồng song song để đưa vào các khe thời gian khác nhau và chúng sẽ được
kết hợp lại tại đầu cuối. Tất cả các khe thời gian sử dụng trong một kết nối HSCSD phải
thuộc về cùng một sóng mang. Việc cấp phát các khe thời gian phụ thuộc vào thủ tục cấp
phát khe thời gian.
Công nghệ HSCSD được triển khai dựa trên cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng GSM,
chỉ cần nâng cấp phần mềm hiện có mà không cần lắp đặt thêm các phần tử mạng mới. Nó
cho phép cấp phát tài nguyên không đối xứng ở giao diện vô tuyến. Tuy nhiên do vẫn sử
dụng chuyển mạch kênh nên hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến của HSCSD không
cao.
Cấu trúc hệ thống HSCSD:

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
10


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
Giao diện vô tuyến
Abis
TE

MT

TRAU

BTS

PDN

A
MSC

IWF

PLMN
ISDN
PSPDN

TAF
BSC
nx các kênh toàn tốc
nx khe thời
gian/khung TDMA

Kênh nx 16 kbit/s

Kênh 64 kbit/s

Hình 9. 4 Cấu trúc hệ thống HSCSD
TE (Terminal Equipment): Thiết bị đầu cuối
MT (Mobile Terminal): Máy di động đầu cuối
TAF (Terminal Adaptation Function): Chức năng thích ứng đầu cuối
IWF (Interworking Function): Chức năng kết nối mạng
- Chức năng thích ứng đầu cuối TAF:

Đóng vai trò tiếp nhận số liệu của thiết bị đầu cuối TE đưa tới và chia chúng vào các
khe thời gian đã được chọn trước. Mỗi khe thời gian mang số liệu với các tốc độ được
chuẩn hóa 1,2 kbit/s; 2,4 kbit/s; 4,8 kbit/s; 9,6 kbit/s; 14,4 kbit/s.
- MT và giao diện vô tuyến:
Số liệu từ TAF đưa tới đầu cuối di động MT, tại đây mỗi khe thời gian được mã hóa
kênh. Đầu ra sau mã hóa là luồng số liệu tốc độ 22,8 kbit/s cho mỗi khe thời gian và nó
được chuyển tới giao diện vô tuyến.
- Trạm thu phát gốc BTS:
BTS tiếp nhận luồng số liệu từ giao diện vô tuyến, nó thực hiện giải mã cho mỗi khe
thời gian để thu được luồng số liệu có tốc độ phù hợp với khung TRAU
(16 kbit/s).
Sau đó luồng số liệu được chuyển tới khối TRAU đặt tại bộ điều khiển trạm gốc BSC.
Các khung TRAU 16 kbit/s được gửi tới BSC thông qua giao diện Abis.
- Giao diện Abis:
Các khung TRAU 16 kbit/s được gửi tới BSC thông qua giao diện Abis.
- Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU:

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
11


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
TRAU tiếp nhận các khung số liệu 16 kbit/s từ giao diện Abis và nó định dạng lại
thông tin của mỗi luồng số liệu thành dạng A - TRAU để truyền đi trên giao diện A.
- Giao diện A:
Cho phép chứa được 4 khung A-TRAU tốc độ 16 kbit/s từ một người sử dụng đưa
đến. Các khung này được ghép lại với nhau để phát đi trên một đường 64 kbit/s.
- Trung tâm chuyển mạch di động MSC và các khối IWF:
MSC tiếp nhận các khung A-TRAU của đường kết nối 64 kbit/s và định tuyến chúng
thông qua IWF. Sau khi tiếp nhận, khối IWF lấy ra các thông tin số liệu trong A-TRAU và

kết hợp chúng thành những luồng số liệu ghép trước khi chuyển tới các modem của mình.
Modem tiếp nhận số liệu và định tuyến chúng qua mạng PSTN tới các modem đích và các
thiết bi đầu cuối số liệu DTE (Data Terminal Equipment) ở nơi khác.
 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS
Giới thiệu GPRS
GPRS (General Packet Radio Service) là công nghệ chuyển mạch gói được các nhà
khai thác GSM lựa chọn như là một bước chuẩn bị cơ sở hạ tầng kỹ thuật để tiến lên 3G.
Nó sẽ giúp các nhà khai thác có thể triển khai nhiều ứng dụng đối với mạng điện thoại di
động. GPRS hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao cho GSM với tốc độ tối đa đường truyền có
thể đạt 171,2 kbit/s. Nhờ đó có thể truy cập Internet từ MS có tính năng WAP (Wireless
Application Protocol) để gửi tin nhắn hình ảnh và âm thanh. Và có thể truy cập mạng
Internet để gửi email, nhận fax, truy cập các cơ sở dữ liệu. GPRS cho phép cung cấp dịch
vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS – Multimedia Message Service) và dịch vụ truyền ảnh
động VTS (Video Streaming). Đặc biệt với tính năng luôn luôn kết nối, mạng GPRS cho
phép người sử dụng vừa có thể kết nối mạng Internet vừa có thể đàm thoại đồng thời. Một
MS trong mạng GPRS có thể truy nhập đến nhiều khe thời gian. Với GPRS, người sử
dụng có thể dùng chung một tài nguyên vô tuyến. Vì thế hiệu suất sử dụng tài nguyên vô
tuyến rất cao, cước phí truy cập mạng cũng chỉ tính theo lưu lượng dữ liệu được truyền
tải.
Giao diện vô tuyến của GPRS được xây dựng trên cùng nền tảng như giao diện vô
tuyến của GSM, cùng sóng mang vô tuyến độ rộng 200KHz và 8 khe thời gian. Như vậy
cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đều có thể sử dụng cùng sóng mang.
Tuy nhiên mạng đường trục của GPRS được thiết kế sao cho nó không phụ thuộc vào giao
diện vô tuyến. Mạng GPRS là một mạng số liệu gói được xây dựng trên cơ sở cấu trúc

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
12


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G

mạng GSM, vì vậy việc đưa chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết bị cho
mạng.
Các đặc điểm của mạng GPRS
- Sử dụng công nghệ chuyển mạch gói:
Với việc sử dụng công nghệ chuyển mạch gói, một thiết bị có thể luôn luôn được kết
nối và sẵn sàng gửi một thông tin mà không cần chiếm dụng một kênh riêng trong suốt
thời gian truyền số liệu và kênh có thể được chia sẻ cho nhiều người dùng khác nhau.
Điều này mạng chuyển mạch kênh không thể làm được. Ngoài ra, trong GPRS nếu một lỗi
được phát hiện trong một khung dữ liệu thu được trong BSS thì khung sẽ được yêu cầu
phát lại cho đến khi chính xác trước khi gửi qua mạng lõi GPRS.
- Cho phép kết hợp nhiều khe thời gian để truyền dữ liệu:
GPRS sử dụng cùng một sóng mang với băng thông 200 KHz và 8 khe thời gian như
GSM. Tuy nhiên trong GPRS có thể kết hợp các khe trong số 8 khe thời gian để truyền dữ
liệu nên số gói dữ liệu truyền đi trong mỗi khung truyền tăng lên. Kết hợp việc cấp phát
tài nguyên động nên hiệu quả sử dụng băng tần tăng lên đáng kể.
- Kết nối tức thời và tính cước thuận lợi:
GPRS dễ dàng kết nối tức thời và người dùng có thể thiết lập luôn kết nối mà không
chiếm dụng tài nguyên, do đó thông tin có thể gửi hoặc nhận tức thời ngay khi có nhu cầu.
Tức thời là một ưu điểm của GPRS khi so sánh với số liệu chuyển mạch kênh GSM vì nó
đáp ứng được các ứng dụng có tính cấp bách.
Trong chuyển mạch kênh thì việc tính cước là toàn bộ thời gian chiếm dụng kênh
mặc dù có những khoảng thời gian không có dữ liệu được gửi đi. Với GPRS chỉ tính cước
theo dung lượng được gửi đi. Điều này thuận lợi cho việc kết nối trực tuyến với mạng
trong thời gian dài.
- Hỗ trợ các dịch vụ băng rộng:
Cũng như Internet, GPRS sử dụng công nghệ chuyển mạch gói và các giao thức
trong họ TCP/IP nên tất cả các ứng dụng như email, truy cập Web tin nhanh và truyền file
đều có thể thực hiện qua mạng GPRS. Tốc độ truyền số liệu nhanh hơn cho phép GPRS
chứa đựng các ứng dụng băng rộng vốn không thích hợp với các kết nối quay số chậm
hơn như GSM.

- Tính bảo mật cao hơn:

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
13


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
GPRS cho phép thêm vào các giao thức sử dụng cho nhận thực trước khi thuê bao
được phép truy cập vào Internet hoặc các mạng số liệu khác. GPRS phụ trợ việc mã hóa
dữ liệu người dùng qua giao diện Wireless từ đầu cuối di động đến SGSN (nút hỗ trợ dịch
vụ).
- Hiệu quả trong việc sử dụng phổ:
Trong GPRS tài nguyên vô tuyến chỉ được sử dụng khi người sử dụng thực tại
đang gửi hoặc nhận dữ liệu. Một tài nguyên vô tuyến hiện có có thể được chia sẻ đồng
thời giữa vài người sử dụng khác nhau. Nhờ hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến này
mà một số lớn người sử dụng GPRS có thể chia sẻ cùng một băng thông và được phục vụ
từ cùng một cell.
Cấu trúc của mạng GPRS
SMS-GMSC

SMS-C

SMS-IWMSC
E

C

TE

Gd

R

MSC/

Um

VLR
A

MT
BTS

BSC PCU

D

HLR

Cs

Gr

Gb

SGSN
Gn

Gn

Gp

SGSN
Báo hiệu

Gc
GG

Gi

PDN

Gf
EIR

GGSN

Báo hiệu và lưu lượng
Mạng PLMN khác

Hình 9. 5 Cấu trúc mạng GPRS
Các phần tử trong mạng GPRS
- Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN - Serving GPRS Support Node): thực hiện các
chức năng chính sau:
+ Quản lý việc di chuyển của các đầu cuối GPRS bao gồm việc quản lý nhập mạng,
rời mạng của thuê bao; mật mã, bảo mật của người sử dụng; quản lý vị trí hiện thời của
thuê bao…

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
14

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
+ Định tuyến và truyền các gói dữ liệu giữa các máy đầu cuối GPRS. Các luồng
được định tuyến từ SGSN đến BSC thông qua BTS đến MS.
+ Quản lý trung kế logic tới đầu cuối di động bao gồm việc quản lý các kênh lưu
lượng gói, lưu lượng nhắn tin ngắn SMS và tín hiệu giữa các máy đầu cuối với mạng. +
Xử lý các thủ tục dữ liệu gói PDP (Packet Data Protocol) bao gồm các thông số quan
trọng như tên điểm truy nhập, chất lượng dịch vụ khi kết nối với một mạng dữ liệu khác
bên ngoài hệ thống.
+ Quản lý các nguồn kênh tài nguyên BSS.
+ Cung cấp các file tính cước dành cho dữ liệu gói.
+ Quản lý truy nhập, kiểm tra truy nhập các mạng dữ liệu ngoài bằng mật mã và sự
xác nhận.
- Nút hỗ trợ cổng GPRS(GGSN - Gateway GPRS Support Node):
Là điểm giao diện với các mạng số liệu gói bên ngoài. Một SGSN có thể giao diện
với một hay nhiều GGSN. Đây là giao diện trên cơ sở IP được sử dụng để mang báo hiệu
và số liệu người sử dụng. Giao diện này truyền xuyên số liệu giữa SGSN và GGSN qua
mạng đường trục IP. GGSN chuyển đổi các gói dữ liệu GPRS đến từ SGSN thành khuôn
dạng giao thức dữ liệu gói (PDP).
Chức năng chính của GGSN:
+ Hỗ trợ giao thức định tuyến cho dữ liệu máy đầu cuối.
+ Giao tiếp với các mạng dữ liệu gói IP bên ngoài.
+ Cung cấp chức năng bảo mật mạng.
+ Quản lý phiên GPRS theo mức IP, thiết lập thông tin đến mạng bên ngoài.
+ Cung cấp dữ liệu tính cước (CDRs - Charging Data Records ).
- Hệ thống trạm gốc BSS
BSS cung cấp tất cả các chức năng điều khiển và truyền dẫn thông tin vô tuyến của
mạng, bao gồm:
+ Khối điều khiển dữ liệu gói PCU: có nhiệm vụ kết hợp các chức năng điều khiển
vô tuyến GPRS (điều khiển truy nhập giao diện vô tuyến) với phần hệ thống trạm gốc

BSS của mạng GSM. PCU định tuyến các bản tin báo hiệu và truyền tải dữ liệu của người
sử dụng. PCU sẽ lắp ráp và sắp xếp lại dữ liệu để chuyển tới SGSN. Tại PCU các khối dữ

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
15


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
liệu RLC sẽ được sắp xếp trong khung LLC (điều khiển liên kết logic), sau đó được
chuyển tới SGSN. PCU đặt tại BSC và phục vụ BSC đó.
+ Bộ điều khiển trạm gốc BSC: trong mạng GPRS, BSC đóng vai trò trung tâm phân
phối, định tuyến dữ liệu và thông tin báo hiệu GPRS. BSC có thể thiết lập, giám sát và
hủy bỏ kết nối của các cuộc gọi chuyển mạch kênh cũng như chuyển mạch gói.
+ Trạm gốc BTS: cung cấp khả năng ấn định kênh vật lý tại các khe thời gian cho
cuộc gọi chuyển mạch kênh trong mạng GSM và dữ liệu chuyển mạch gói trong mạng
GPRS. BTS kết hợp với BSC để thực hiện các chức năng về vô tuyến.
- Phần chuyển mạch:
+ MSC/VLR: Được sử dụng cho việc đăng ký và liên lạc với thuê bao nhưng không
đóng vai trò gì trong việc định tuyến dữ liệu GPRS. Trong hệ thống GSM, MSC/VLR
không được dùng cho thủ tục nhận thực thuê bao như trong hệ thống GSM mà thay vào
đó là HLR. Do đó SGSN sẽ nhận bộ ba thông số dành cho việc nhận thực từ HLR/AUC.
+ HLR/AUC: HLR lưu giữ tất cả các thông tin về thuê bao GSM cũng như GPRS.
Thông tin về thuê bao GPRS được trao đổi giữa HLR với SGSN. HLR thực hiện quản lý
di động cho các thuê bao GPRS bằng cách lưu trữ các thông tin định tuyến của các thuê
bao GPRS từ vùng cập nhật vị trí trong SGSN và báo cho SGSN cũ biết sự thay đổi vị trí
của thuê bao. HLR được sử dụng trực tiếp cho việc nhận thực thuê bao thay cho
MSC/VLR.
AUC cung cấp bộ ba thông số nhận thực và thực hiện mã hóa đường truyền.
+ EIR: thực hiện các chức năng như trong hệ thống GSM. EIR lưu giữ tất cả các dữ
liệu liên quan đến thiết bị đầu cuối MS, nó được nối đến MSC qua đường báo hiệu để

kiểm tra sự hợp pháp của thiết bị.
- Thiết bị cung cấp dịch vụ nhắn tin ngắn SMS-GMSC (tổng đài di động có cổng cho
dịch vụ SMS) và SMS-IWMSC (tổng đài di động liên mạng cho dịch vụ SMS):
Được kết nối với SGSN qua giao diện Gd nhằm cung cấp khả năng truyền tải các
bản tin ngắn.
- Thiết bị đầu cuối GPRS (MS):
Có thể chia làm 3 loại:
+ Loại 1: Hỗ trợ sử dụng đồng thời các dịch vụ thoại và số liệu. Người sử dụng loại
1 có thể vừa nói chuyện vừa truyền số liệu GPRS cùng một lúc (sử dụng cả hai dịch vụ
chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đồng thời).
GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
16


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
+ Loại 2: Hỗ trợ đồng thời việc nhập mạng GPRS và nhập mạng GSM nhưng không
cho phép sử dụng đồng thời cả hai dịch vụ. Người sử dụng loại 2 có thể được đăng ký ở
mạng GSM và mạng GPRS đồng thời nhưng không thể vừa nói chuyện vừa truyền số liệu.
+ Loại 3: Có thể nhập mạng GPRS hoặc GSM nhưng không thể nhập đồng thời cả
hai mạng. Tại một thời điểm nhất định, thiết bị loại 3 hoặc là thiết bị GSM hoặc là thiết bị
GPRS. Nếu đã nhập một loại dịch vụ thì có thể coi rằng thiết bị đã rời bỏ dịch vụ kia.
- Mạng đường trục GPRS (Backbone):

Mạng Backbone kết hợp một số giao diện chuẩn dữ liệu chuẩn dùng để kết nối giữa
các nút SGSN, GGSN và các mạng dữ liệu bên ngoài. Có hai loại mạng Backbone:
- Mạng intra-backbone: Kết nối các phần tử trong cùng một PLMN như các nút
SGSN, GGSN.
- Mạng inter-backbone: Dùng để kết nối giữa các mạng intra-backbone của hai
PLMN khác nhau thông qua cổng BG (Border Gateway).
Mạng Backbone giải quyết vấn đề tương tác giữa các mạng GPRS. Lý do chính mà

hệ thống hỗ trợ vấn đề tương tác giữa các mạng GPRS là để cho phép roaming giữa các
thuê bao GPRS. Các thuê bao roaming sẽ có một địa chỉ PDP được cấp phát bởi mạng
PLMN chủ, một router chuyển tiếp giữa mạng PLMN chủ và mạng PLMN mà thuê bao di
chuyển đến. Định tuyến này được dùng cho cả thuê bao đã hoàn toàn hay bắt đầu truyền
dữ liệu. Thông tin được truyền thông qua các cổng biên BG.

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
17


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
Giao thức trong mạng GPRS
Các giao thức của GPRS cung cấp các chức năng điều khiển và truyền tải dữ liệu
trên mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng truyền dẫn.
* Các giao thức trong mặt phẳng truyền dẫn:
- Giao thức tạo đường hầm GTP (GPRS Tunnelling Protocol): phục vụ cho việc
truyền tải dữ liệu giữa các nút GSN trong mạng đường trục GPRS.
- Giao thức điều khiển truyền dẫn/giao thức dữ liệu gói người sử dụng TCP/UDP:
TCP chuyển các khối dữ liệu gói PDU của giao thức GTP trong mạng đường trục GPRS
cho các giao thức cần thiết để liên kết dữ liệu tin cậy. TCP cung cấp khả năng điều khiển
luồng và bảo vệ chống lại sự thất thoát hay ngắt quãng các PDU của GTP.
- Giao thức IP (Internet Protocol): được sử dụng trong mạng đường trục GPRS,
phục vụ cho việc báo hiệu và định tuyến dữ liệu.
- Điều khiển kết nối logic LLC (Logical Link Control): cung cấp liên kết dữ liệu tin
cậy giữa máy đầu cuối và SGSN đang phục vụ máy đầu cuối đó. LLC phục vụ truyền tải
các PDU giữa máy đầu cuối và SGSN, phát hiện và khôi phục các PDU của LLC bị thất
lạc hoặc ngắt quãng.
- Chuyển tiếp (Relay): Trong BSC chức năng này sẽ chuyển tiếp các PDU của LLC
giữa giao diện Um và Gb. Tại SGSN nó sẽ chuyển tiếp các PDU của PDP giữa các giao
diện Gb và Gn.

- Điều khiển kết nối vô tuyến/điều khiển truy nhập môi trường RLC/MAC: RLC
cung cấp một liên kết tin cậy trên giao diện vô tuyến. MAC điều khiển các thủ tục báo
hiệu truy nhập trên kênh vô tuyến và sắp xếp các khung LLC vào các kênh vật lý.
* Các giao thức trong mặt phẳng báo hiệu:
- Điều khiển việc truy nhập mạng GPRS như nhập mạng và rời mạng
- Điều khiển thiết lập các kết nối trong mạng như quá trình khởi hoạt một địa chỉ
PDP
- Điều khiển việc định tuyến trong mạng - Điều khiển việc ấn định, cấp phát tài
nguyên.
Giao diện vô tuyến
a. Lớp vật lý của GPRS
Được chia làm 2 lớp con:

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
18


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
- Lớp RF vật lý (Physical RF Layer): thực hiện chức năng truyền dẫn cơ bản, thu
nhận như điều chế và giải điều chế. Sau đó truyền lên lớp đường truyền vật lý.
- Lớp đường truyền vật lý (PLL – Physical Link Layer): thực hiện chức năng
đóng khung đơn vị dữ liệu, mã hóa, hiệu chỉnh lỗi truyền dẫn trung kế vật lý và ghép
xen. Ngoài ra còn cung cấp chức năng cho việc lựa chọn lại cell, điều khiển công suất.
b. RLC/MAC của GPRS
Tên đầy đủ của lớp 2 là điều khiển truy nhập môi trường MAC và lớp điều khiển
SN
liên kết vô tuyến RLC. MAC là lớp con thấp còn RLC là lớp con cao hơn.
* Các chức năng của MAC:
- MAC cho phép nhiều MS chia sẻ một tài nguyên truyền dẫn chung. MAC cho
phép một MS sử dụng song song một vài kênh vật lý, nghĩa là sử dụng một vài khe thời

gian trong khung TDMA. Đối với lưu lượng dữ liệu kết cuối di động, thực thể MAC cung
cấp các thủ tục xếp hàng và lập lịch của những lần cố gắng truy nhập. Đối với lưu lượng
dữ liệu được khởi đầu bằng di động, MAC cung cấp cách xử lý giữa các máy di động cố
gắng truy nhập môi trường được chia sẻ cùng lúc.
- MAC cung cấp cách ghép kênh hiệu quả dữ liệu và báo hiệu trên cả hai hướng
đường lên và đường xuống.
- Đối với truy cập kênh được khởi đầu bởi di động, MAC giải quyết tranh chấp giữa
những lần cố gắng truy cập kênh bao gồm dò tìm và khôi phục xung đột.
- Đối với kênh kết cuối di động, MAC lập biểu những lần cố gắng truy cập, những
lần này có thể sắp xếp các lần truy cập gói.
- MAC xử lý ưu tiên.
* Các chức năng của RLC:
- Giao diện Um cho phép truyền các LLC PDU giữa lớp LLC và lớp con MAC.
- Phân đoạn các LLC PDU thành các khối dữ liệu RLC tại bên truyền và ráp lại tại
bên nhận.
- Các thủ tục hiệu chỉnh lỗi trở lại cho phép truyền lại có chọn lọc các khối dữ liệu
RLC được phân phối không thành công.
- Sự thích ứng liên kết, đó là truyền các từ mã tùy theo các điều kiện của kênh.
c. Lớp điều khiển đường truyền logic LLC

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
19


HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G – 4G
LLC cung cấp một trung kế kết nối logic đáng tin cậy hơn giữa SGSN và MS cũng
như bắc cầu cho hai giao tiếp Gb và Um. Ngoài ra LLC cũng được thiết kế để không phụ
thuộc vào các giao thức vô tuyến cơ bản nhằm có thể đưa ra các giải pháp vô tuyến GPRS
thay đổi về sau. Cấu trúc khung LLC bao gồm:
- Trường địa chỉ: gồm một byte nhận dạng điểm truy nhập (SAPI), một bit phân

biệt giao thức PD và một bit C/R (Command/Respone).
- Trường điều khiển điển hình: gồm từ 1 đến 3 byte dùng để xác định kiểu khung.
Các chức năng của GPRS
* Các chức năng điều khiển truy nhập mạng
Truy nhập mạng là một phương thức mà một người sử dụng kết nối với mạng để có
thể sử dụng các dịch vụ và các phương tiện của mạng đó. Giao thức truy nhập là một tập
xác định các thủ tục cho phép khai thác các dịch vụ và phương tiện mạng. Người truy cập
GPRS có thể từ bên di động hoặc bên cố định của mạng GPRS. Giao diện phía mạng cố
định có thể hỗ trợ nhiều giao thức truy nhập tới các mạng dữ liệu ngoài (X.25, IP). Phần
quản lý của mỗi PLMN có thể yêu cầu các thủ tục điều khiển truy nhập riêng cho phép
người truy nhập mạng hay giới hạn thuê bao sử dụng các dịch vụ. Ngoài việc truyền dẫn
dữ liệu theo chuẩn điểm - điểm (PTP – Point to Point), điểm – đa điểm (PTM – Point to
Multi Point), GPRS hỗ trợ thêm loại truy nhập ngầm định (anonymous) tới mạng. Dịch vụ
này cho phép MS trao đổi các gói dữ liệu với host xác định trước được đánh địa chỉ bởi
các giao thức liên mạng đã được xác định. Tuy nhiên chỉ có một số địa chỉ đích PDP nhất
định sử dụng trong dịch vụ này. IMSI hoặc IMEI sẽ không được sử dụng trong khi truy
nhập mạng do bảo mật ngầm định cao. Do đó các chức năng nhận thực và mã hóa không
được xét trong kiểu truy nhập ngầm định.
- Chức năng đăng ký:
Đăng ký là phương thức mà người sử dụng dùng IP Mobile (nhận dạng di động) để
liên kết với các giao thức và địa chỉ của gói dữ liệu trong mạng PLMN cũng như liên kết
với các điểm truy nhập ra mạng PDP ngoài. Kết nối này có thể là liên kết tĩnh (được lưu
trữ trong HLR) hoặc động (được ấn định theo yêu cầu cần thiết).
- Chức năng nhận thực và cấp phép:
Chức năng này thực hiện việc nhận dạng và nhận thực người yêu cầu dịch vụ, hợp
thức hóa loại yêu cầu dịch vụ để đảm bảo rằng thuê bao được phép sử dụng các dịch vụ
mạng. Chức năng nhận thực được thực hiện kết hợp với chức năng quản lý di động.

GVHD: ThS Lại Nguyễn Duy
20