Tải bản đầy đủ

THIẾT kế, CHẾ tạo hệ THỐNG GIÁM sát NHIỆT độ từ XA THÔNG QUA MẠNG dữ LIỆU GPRS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT
ĐỘ TỪ XA THÔNG QUA MẠNG DỮ LIỆU GPRS
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Văn Chương
Sinh viên thực hiện

: Hoàng Bảo Như

Lớp

: 52K - ĐTTT

Mã số sinh viên

: 1151089228

NGHỆ AN - 2016



LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập và rèn luyện tại khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại
học Vinh em đã được trang bị các kiến thức cơ bản, các kỹ năng thực tế để có thể
hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện tử Viễn thông trường Đại
học Vinh đã quan tâm hướng dẫn truyền đạt những kiến thức quý báu và kinh
nghiệm cho em trong suốt thời gian học ở trường nói chung và trong đồ án tốt
nghiệp nói riêng. Qua đây em xin chân thành cảm ơn ThS. Lê Văn Chương đã
hướng dẫn tận tình để giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Trong suốt thời gian làm đồ án em đã cố gắng hoàn thành nhưng không tránh
khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và
các bạn để đồ án em có tính thiết thực hơn.
Cuối cùng em xin chúc các thầy, cô giáo sức khỏe, nhiều thành công trong sự
nghiệp trồng người.
Em xin chân thành cảm ơn

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................2
MỤC LỤC................................................................................................................. 3
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ....................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG BÁO CÁO......................................................9
Hình 1.1. Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc...................................16
1.2.2. Kiến trúc của GPRS..................................................................................20
1.2.3. Nguyên tắc hoạt động của GPRS..............................................................25
CHƯƠNG II : GIAO THỨC TCP/IP......................................................................27
2.1. GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC TCP/IP...........................................................27
2.1.1. Lịch sử.......................................................................................................27
2.1.2. Khái niệm về giao thức TCP/IP.................................................................29
2.2. TỔNG QUÁT VỀ GIAO THỨC TCP/IP.........................................................29
Hình 2.1. Các tầng trong bộ giao thức TCP/IP........................................................29
2.2.2. Giao thức điều khiển truyền dữ liệu TCP..................................................34
Hình 2.4. Cổng truy nhập dịch vụ TCP....................................................................34
Bảng 2.1. Một số cổng TCP phổ biến......................................................................36
Bảng 2.2. Dạng thức của segment TCP...................................................................37

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ TỪ
XA THÔNG QUA MẠNG DỮ LIỆU GPRS..........................................................39
3.1. YÊU CẦU THIẾT KẾ......................................................................................39
3.2. SƠ ĐỒ KHỐI...................................................................................................39
Hình 3.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống........................................................................39
3.3. THIẾT KẾ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG.......................................................39
3.3.1. Giới thiệu Module Sim900........................................................................39
3.3.2 Khối vi điều khiển......................................................................................47
Hình 3.11. Sơ đồ chân của PIC 16F887...................................................................47
3


3.3.3. Khối cảm biến DS18B20...........................................................................50
Hình 3.13 Sơ đồ chân DS18B20..............................................................................50
Hình 3.14. Sơ đồ khối của DS18B20.......................................................................51
Hình 3.15. Bộ nhớ của DS18B20............................................................................51
Hình 3.16. Kết nối vi điều khiển và cảm biến..........................................................53
3.4. THIẾT KẾ PHẦN MỀM..................................................................................53
Hình 3.17. Lưu đồ thuật toán...................................................................................54
3.5. THIẾT KẾ THI CÔNG.....................................................................................55
Hình 3.18. Module Sim900.....................................................................................55
Hình 3.19. Mạch vi điều khiển................................................................................55
Hình 3.20. Kết nối 2 mạch lại với nhau...................................................................55
Hình 3.21. Giao diện trong trang web......................................................................56
KẾT LUẬN.............................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................58
PHỤ LỤC................................................................................................................ 59

4


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án nghiên cứu về lập trình cho vi điều khiển giao tiếp với cảm biến, vi điều
khiển giao tiếp với module Sim900A để gửi dữ liệu lên trang web. Để đạt được
được những mục đích đó ta đi sâu vào tìm hiểu các kiến thức cơ bản về Module
Sim900A, cảm biến nhiệt độ DS18B20, vi điều khiển PIC16F887,…..
Nắm vững cách viết chương trình, đề ra các hướng phát triển để đề tài hoàn
thiện hơn.
ABSTRACT
The thesis researches programming for microcontrollers communicate with
sensors, microcontrollers communicate with the module Sim900A to send data to
the website. To achive that goal, we go into learn the basics of Module Sim900A,
Temperature sensor DS18B20, Microcontrollers PIC16F887,…..
Mastering how to write programs, proposed the development direction to more
completed thesis.

5


MỞ ĐẦU
Hiện nay cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, vấn đề an toàn cháy nổ
đang được sự quan tâm lớn từ xã hội. Các hệ thống giám sát,cảnh báo đã được ra
đời. Một trong số đó là giám sát và cảnh báo nhiệt độ được con người quan tâm cao.
Vì nhiệt độ tăng có thể ảnh hưởng tới các yếu tố khác trong thiên nhiên cũng như
ảnh hưởng trực tiếp tới con người. Bên cạnh đó việc thu thập thông tin và cảnh báo
qua mạng đang được quan tâm rộng rãi. Với phương pháp này, chúng ta có thể thu
thập được dữ liệu từ một khu vực hay đối tượng mà không cần phải tác động trực
tiếp. Sự bùng nổ của Internet tạo môi trường thuận lợi cho việc truy cập và thu thập
dữ liệu.
Việc thu thập thông tin và cảnh báo là một bài toán thiết thực, vận dụng linh hoạt
kiến thức và ứng dụng rất nhiều trong thực tế. Đây là một chủ đề mới mẻ và đang
được nhiều công ty, tòa nhà áp dụng để nâng cao tính an toàn cho mọi người và của
cải xã hội.
Chính vì các lý do như trên nên tôi quyết định chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo
hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng dữ liệu GPRS”. Đây có thể là
một bài toán nhỏ, nhưng nó cũng giúp chúng em có một cái nhìn khái quát về bài
toán, tạo cơ sở tiền đề cho sự tìm tòi và phát triển các hướng cao hơn trong sự
nghiên cứu các công nghệ mới.
Nội dung của đồ án được trình bày trong 3 chương
Chương 1: Tổng quan về hệ thống GSM và GPRS
Chương 2: Giao thức TCP/IP
Chương 3: Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng
dữ liệu GPRS
Mặc dù có nhiều cố gắng tuy nhiên do t hời gian có hạn và điều kiện thực hiện
còn hạn chế không tránh khỏ những sai sót trong các trình bày cũng như phần thể
hiện, rất mong thầy cô và các bạn góp ý và bổ sung thêm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nghệ An, tháng 05 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Hoàng Bảo Như
6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc

Error:

Reference

source not found
Hình 1.2. Cấu trúc của một mạng GPRS Error: Reference source not found
Hình 1.3. Các khối mạng của GPRS

Error: Reference source not found

Hình 2.1. Các tầng trong bộ giao thức TCP/IP
Hình 2.2. Cấu trúc các lớp địa chỉ IP

Error: Reference source not found

Error: Reference source not found

Hình 2.3. Dạng thức của gói tin IPError: Reference source not found
Hình 2.4. Cổng truy nhập dịch vụ TCP

Error: Reference source not found

Hình 3.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống

Error: Reference source not found

Hình 3.2. Module SIM900 Error: Reference source not found
Hình 3.3. Khối nguồn

Error: Reference source not found

Hình 3.4. Khối Sim900A

Error: Reference source not found

Hình 3.5. Khối UART

Error: Reference source not found

Hình 3.6. Khối Microphone
Hình 3.7. Khối Speaker

Error: Reference source not found

Error: Reference source not found

Hình 3.8. Sơ đồ chân SIM900

Error: Reference source not found

Hình 3.9. Sơ đồ thiết kế Breakout của Module SIM900 Error: Reference source not
found
Hình 3.10. Cấu hình mặc định cho SIM900

Error: Reference source not found

Hình 3.11. Sơ đồ chân của PIC 16F887 Error: Reference source not found
Hình 3.12. Cấu trúc bên trong của PIC 16F887 Error: Reference source not found
Hình 3.13 Sơ đồ chân DS18B20 Error: Reference source not found
Hình 3.14. Sơ đồ khối của DS18B20

Error: Reference source not found

Hình 3.15. Bộ nhớ của DS18B20 Error: Reference source not found
7


Hình 3.16. Kết nối vi điều khiển và cảm biến
Hình 3.17. Lưu đồ thuật toán

Error: Reference source not found

Error: Reference source not found

Hình 3.18. Module Sim900 Error: Reference source not found
Hình 3.19. Mạch vi điều khiển

Error: Reference source not found

Hình 3.20. Kết nối 2 mạch lại với nhau Error: Reference source not found
Hình 3.21. Giao diện trong trang web

Error: Reference source not found

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG BÁO CÁO
Bảng 1.1. Tốc độ dữ liệu truyền trong GPRS

Error: Reference source not found

Bảng 1.2. Tốc độ kênh truyền trong GPRS

Error: Reference source not found

Bảng 2.1. Một số cổng TCP phổ biến

Error: Reference source not found

Bảng 2.2. Dạng thức của segment TCP

Error: Reference source not found

9


CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

GSM

Global System for Mobile
communication

Hệ thống truyền thông
di động toàn cầu

TDMA

Time Division Mutiple Access

Đa truy cập phân chia
theo thời gian

FDMA

Frequence Division Mutiple Access

Đa truy cập phân chia
theo tần số

ETSI

European Telecommunication
Standards Institude

Viện tiêu chuẩn viễn
thông Châu Âu

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BSS

Base Station System

Hệ thống trạm gốc

HLR

Home Location Register

Thanh ghi định vị
thường trú

VLR

Visitor Location Register

Thanh ghi định vị tạm
trú

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói
tổng hợp

SMSC

Short Message Service Centre

Dịch vụ bản tin ngắn

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút phục vụ các thuê
bao GPRS

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút định tuyến của
GPRS

TCP/IP

Transmission Control
Protocol/Internet Protocol

Giao thức Điều Khiển
Truyền Thông/Giao
thức Internet

ICMP

Internet control message protocol

Giao thức điều khiển
thông điệp Internet

IGMP

Internet group management protocol

Giao thức quản lý
nhóm Internet

10


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GSM VÀ GPRS
1.1.HỆ THỐNG GSM
1.1.1.Lịch sử hình thành mạng GSM
-1982-1985 Conférence Européennedes Postes et Télécommunications (CEPT
– Hiệp hội bưu chính viễn thông Châu Âu) bắt đầu đưa ra chuẩn viễn thông kỹ thuật
số Châu Âu tại băng tần 900MHz, tên là GSM-Global System for Mobile
communication (hệ thống truyền thông di động toàn cầu).
-1986: CEPT lập nhiều vùng thử nghiệm tại Paris để lựa chọn công nghệ
truyền phát. Cuối cùng kỹ thuật Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA –
Time Division Mutiple Access) và đa truy cập theo tần số (FDMA – Frequence
Division Mutiple Access) đã được lựa chọn.
-1986: Hai kỹ thuật trên đã được kết hợp để tạo nên công nghệ phát cho GSM.
Các nhà khai thác của 12 nước Châu Âu đã cùng ký bản ghi nhớ
Memorandum of Understanding (MoU) quyết tân giới thiệu GSM vào năm 1991.
-1988: CEPT bắt đầu xây dựng đặc tả GSM cho giai đoạn hiện thực và đã có
thêm 5 nước gia nhập MoU.
-1989:

Viện

tiêu

chuẩn

viễn

thông

Châu

Âu

(ETSI–European

Telecommunication Standards Institude) nhận trách nhiệm phát triển đặc tả GSM.
-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.
11


-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.
-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.
1.1.2. Kiến trúc mạng GSM
Thành phần:
1. Mạng GSM được chia thành 2 hệ thống:
Hệ thống chuyển mạch (SS - switching system) và hệ thống trạm phát (BSS base station system). Mỗi hệ thống được xây dựng trên nhiều thiết bị chuyên dụng
khác nhau. Ngoài ra, giống như các mạng liên lạc khác, GSM cũng được vận hành,
bảo trì và quản lý bởi các trung tâm máy tính. Hệ thống chuyển mạch chuyên xử lý
cuộc gọi và các công việc liên quan đến thuê bao. BSS xử lý công việc liên quan
đến truyền phát sóng radio. OMC thực hiện nhiệm vụ vận hành và bảo trì mạng,
như theo dõi lưu lượng cảnh báo khi cần thiết. OMC có quyền truy xuất đến cả SS
và BSS.
2. Kiến thức dạng địa lý:
Với mọi mạng điện thoại, kiến trúc là nền tảng quan trọng để xây dựng qui
trình kết nối cuộc thoại đến đúng đích. Với mạng di động thì điều này lại càng quan
trọng: do người dùng luôn di chuyển nên kiến trúc phải có khả năng theo dõi được
vị trí của thuê bao.
3. Ô (cell):
Là đơn vị cơ bản của hệ thống tế bào, được định nghĩa theo vùng phủ sóng của
BTS. Mỗi ô được cấp một số định danh duy nhất gọi là CGI (Cell Global Identity).
Để phủ sóng toàn quốc, người ta cần đến một số lượng rất lớn BTS. Để phủ sóng
toàn bộ 61 tỉnh thành Mobifone bố trí 358 BTS, Việc bố trí dựa trên một mức độ
khai thác của từng khu vực, chỉ riêng khu vực 2 (từ Lâm Đồng trở vào) đã đặt đến
12


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:
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 động
tế bào có thể được trình bày giữa hai góc độ .
7. Băng tần:
Hiện tại mạng GSM đang hoạt động trên 3 băng tần: 900, 1800, 1900MHz.
Chuẩn GSM ban đầu sử dụng băng tần 900MHz, gọi là phiên bản P-GSM (Primary
GSM). Để tăng dung lượng, băng tần dần mở sang 1800 và 1900MHz, gọi là phiên
13


bản mở rộng (E-GSM). Chính vì thế, thị trường đã xuất hiện nhiều loại điện thoại
hỗ trợ nhiều băng tần nhằm tạo thuận lợi cho người dùng thường xuyên đi nước
ngoài và tận dụng được hết ưu thế chuyển vùng quốc tế của mạng GSM hiện nay.
8.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.
Bản đặc tả gồm 12 mục, mỗi mục do 1 nhóm chuyên gia và 1 công ty riêng
biệt phụ trách viết, ESTI giữ vai trò điều phối chung.
GSM 1800 được xem là phần phụ lục, nó chỉ đề cập đến sự khác nhau giữa
GSM 900 và GSM 1800.
GSM 1900 được viết dựa trên GSM 1800 nhưng có thay đổi cho phù hợp với
chuẩn ANSI (American National Standards Institude) của Mỹ.
1.1.3. Các thủ tục cơ bản của GSM
Thiết bị sẽ tự động thực hiện quy trình cần thiết mà không cần đến sự quan
tâm hay điều khiển của người dùng.
1.Đăng nhập thiết bị vào mạng:
Khi thiết bị (điện thoại di động) ở trạng thái tắt, nó được tách ra khỏi mạng.
Khi bật lên, thiết bị dò tần số GSM để tìm kênh điều khiển. Sau đó, thiết bị đo
cường độ của tín hiệu từ các kênh và ghi lại. Cuối cùng thì chuyển sang kết nối với
kênh có tín hiệu mạnh nhất.
2. Chuyển vùng:
Vì GSM là một chuẩn chung nên thuê bao có thể dùng điện thoại hệ GSM tại
hầu hết các mạng GSM trên thế giới. Trong khi di chuyển, thiết bị liên tục dò kênh
để luôn duy trì tín hiệu với trạm là mạnh nhất. Khi tìm thấy trạm có tín hiệu mạnh
hơn, thiết bị sẽ tự động chuyển sang mạng mới; nếu trạm mới nằm trong LA khác,
thiết bị sẽ báo cho mạng biết vị trí mới của mình. Riêng với chế độ chuyển vùng
quốc tế hoặc chuyển vùng giữa mạng của hai nhà khai thác dịch vụ khác nhau thì
quá trình cập nhật vị trí đòi hỏi phải có sự chấp thuận và hỗ trợ từ cấp nhà khai thác
dịch vụ.
14


* Thực hiện cuộc gọi từ thiết bị di động vào điện thoại cố định:
1. Thiết bị kiểu yêu cầu một kênh báo hiệu.
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.
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.

15


Hình 1.1. Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc
9. Khi nhận được thông điệp, thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngược lại.
10. BSC cung cấp một khung thông điệp chứa thông tin.
11. Phân tích thông điệp của BSC gửi đên để tiến hành thủ tục bật trạng thái
của thiết bị lên tích cực, xác nhận, mã hóa, nhận diện thiết bị.
12. MSC/VLR điều khiển BSC xác lập một kênh rỗi, đổ chuông. Nếu thiết bị
di động chấp nhận trả lời, kết nối được thiết lập. Trong trường hợp thực hiện cuộc
gọi từ thiết bị di động đến thiết bị di động, quá trình cũng diễn ra tương tự nhưng
điểm giao tiếp với mạng PSTN của điện thoại cố định sẽ được thay thế bằng
MSC/VLR khác. DROPBACK giữa hai nhà khai thác dịch vụ. Đây là một ưu điểm
mà các nhà khai thác dịch vụ thường ứng dụng để tiết kiệm chi phí cho truyền phát
và xử lý. Ví dụ trong vùng chuyển vùng quốc tế, thuê bao đăng ký tại Việt Nam
thực hiện cuộc gọi tại Singapore cho một thiết bị di động tại Singapore. Thông
thường tuyến kết nối sẽ đi ngược về Việt Nam; nếu ứng dụng tính năng dropback,
tuyến kết nối sẽ được tối ưu trong vùng của Singapore.
1.2.GPRS
1.2.1. Khái quát chung về mạng GPRS

Hình 1.2. Cấu trúc của một mạng GPRS

16


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...
Ưu thế cơ bản của các mạng GPRS là ở chỗ người sử dụng chỉ phải chi trả cho
lượng thông tin phát /thu chứ không phải cho thời gian vào mạng. Trước khi có tiêu
chuẩn công nghệ GPRS, thuê bao phải trả tiền cho toàn bộ thời gian kết nối mà
không phụ thuộc vào việc họ có sử dụng kênh truyền số liệu quy định hay không.
Nói một cách khác, tài nguyên của mạng chỉ phát huy hiệu lực trong thời gian
truyền số liệu trực tiếp từ máy điện thoại. Trong thời gian ngừng hoạt động, chẳng
hạn như để duyệt thư điện tử, tài nguyên mạng được giao cho các thuê bao khác sử
dụng. Ngoài ra, công nghệ GPRS là một giai đoạn trung gian để chuyển từ thế hệ
thứ hai (GMS) sang thế hệ thứ ba (UMTS - Universal Mobile Telecommunications
System). Trong GPRS, tốc độ truyền số liệu cao nhất có thể có là 171,2kbit/s nhanh
hơn gần gấp 12 lần so với truyền số liệu trong các mạng GMS thông thường (9,6
kbit/s). Tuy nhiên,vào thời điểm hiện tại người ta chưa cần tốc độ cao như vậy mà
thường chỉ trong khoảng 30-40kbit/s.
Với các chức năng được tăng cường, GPRS làm giảm giá thành, tăng khả năng
thâm nhập các dịch vụ số liệu cho người dùng. Hơn nữa, GPRS nâng cao các dịch
vụ dữ liệu như độ tin cậy và đáp ứng các đặc tính hỗ trợ. Các ứng dụng sẽ được
phát triển với GPRS sẽ hấp dẫn hàng loạt các thuê bao di động và cho phép các nhà
khai thác đa dạng hoá các dịch vụ. Các dịch vụ mới sẽ làm tăng nhu cầu về dung
17


lượng đường truyền trên các tài nguyên vô tuyến và các tiểu hệ thống cơ sở. Một
phương pháp GPRS dùng để làm gim bớt các tác động đến dung lượng đường
truyền là chia sẻ cùng tài nguyên Radio giữa các trạm di động trong một tế bào.
Hơn nữa, các thành phần mạng cốt lõi sẽ được triển khai để hỗ trợ cho các dịch vụ
số liệu được hiệu quả hơn.
Để cung cấp các dịch vụ mới cho người sử dụng điện thoại di động, GPRS là
bước quan trọng hội nhập tới các mạng thông tin thế hệ ba (3G). GPRS cho phép
các nhà khai thác mạng triển khai trên nền một cấu trúc cốt lõi dựa trên mạng IP cho
các ứng dụng số liệu và sẽ tiếp tục được sử dụng và mở rộng cho các dịch vụ 3G
cho các ứng dụng số liệu và thoại tích hợp. GPRS chứng tỏ được sự phát triển 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

18


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
Lược đồ

Tỷ lệ mã

Tốc độ dữ liệu trên 1 khe

Tốc độ dữ liệu trên 8 khe

CS-1

1/2

thời gian (kbit/s)
9,05

thời gian (kbit/s)
72,4

CS-2

2/3

13,4

107,2

CS-3

3/4

15,6

124,8

CS-4

1

21,4

171,2

Bảng 1.1. Tốc độ dữ liệu truyền trong GPRS
Với khả năng có thể đưa ra linh hoạt từ 1 đến 8 kênh lưu lượng (hay 8 khe thời
gian) trên một tần số sóng mang đơn (một khung TDMA), GPRS đã đưa tốc độ dữ
liệu lên tối đa là 171,2 kbit/s đối với 1 người sử dụng. Trên thực tế, do sự cần thiết
phải mã hóa kênh và phân phối đa khe thời gian nên giới hạn tốc độ sẽ chỉ là 115
kbit/s. Tuy nhiên, phần lớn các ứng dụng lại ở tốc độ thấp hơn nhiều nhưng chất
lượng dịch vụ vẫn chấp nhận được.
Các ứng dụng số liệu

Tốc độ

Các ứng dụng số liệu

Tốc độ

Telemetry

(kb/s)
2,4

Electronic Newspapers

(kb/s)
28,8

Service Engineering

9,6

Email

28,8

Fleet Management

9,6

Video Conference

28,8

Fax – Group 3

14,4

Database Access

28,8

E-Commerce (Banking)

14,4

Data Transfer (UDI)

64

Slow Video

19,2

Multi – User games

64

Internet Browsing

28,8

Audio Visual (MPRG-4)

64

Bảng 1.2. Tốc độ kênh truyền trong GPRS

19


GPRS cũng cho phép phát triển dịch vụ bản tin ngắn SMSC (Short Message
Service Centre) về khía cạnh tốc độ, thành phần và chiều dài bản tin bằng cách
chuyển lưu lượng bản tin qua mạng GPRS (mạng GSM hiện tại truyền tải dữ liệu ở
tốc độ 9,6 kbit/s và chiều dài bản tin ngắn là 160 ký tự).
Yêu cầu cho người sử dụng có thể sử dụng dịch vụ GPRS:
- Điện thoại di động hay thiết bị đầu cuối hỗ trợ GPRS.
- Mạng điện thoại di động mà thuê bao sử dụng phải hỗ trợ GPRS.
- GPRS được cung cấp cho người sử dụng.
- Địa chỉ truyền và nhận dữ liệu phải thông qua mạng GPRS.
Để có thể thiết lập GPRS dựa trên nền tảng mạng GSM cơ sở cần yêu cầu bổ
sung thêm hai modul lõi sau:
GGSN: Gateway GPRS Support Node.
SGSN: Serving GPRS Support Node.
1.2.2. Kiến trúc của GPRS
Các công nghệ GSM/GPRS/EDGE có cùng một cơ sở nền tảng đó là kỹ thuật
truy cập TDMA và FDMA vì vậy hoạt động trên cùng một băng thông (với mỗi
kênh băng tần số 200kHz).
Kiến trúc mạng có sử dụng công nghệ GPRS được mô tả sơ lược trên hình vẽ.
Trong cấu trúc này, các thành phần tiêu chuẩn của mạng GSM quen thuộc được mở
rộng thêm bằng các phần tử mới hoặc được đổi mới. Nhìn chung, có tất cả bốn
thành phần chính, trong đó có hai thành phần chưa có trong công nghệ GSM đang
hoạt động.
Các khối trong hệ thống GPRS:
- MS (Mobile Station).
- BSS (Base Station System).
- SGSN (Serving GPRS Support Node).
- GGSN (Gateway GPRS Support Node).
Bên cạnh 4 thành phần chính nêu trên thì phần MSC (Mobile Switching
Center) cũng không thể không kể đến.
Mạng GPRS trong hệ thống GSM có các đặc điểm sau:

20


- Tương tác giữa GPRS và mạng GSM hiện tại được thông qua hệ thống báo
hiệu số 7.
- MSC và VLR không thực sự cần thiết khi định tuyến dữ liệu GPRS nhưng
nó được dùng khi kết nối GPRS trên mạng GSM hiện tại.
- HLR chứa thông tin chi tiết về thuê bao trong mạng GPRS.
- AUC được dùng để xử lý nhận thức và mật mã.
- EIR được sử dụng cho nhận thức thiết bị di động.
Các khối của 1 mạng GPRS được biểu diễn ở hình 1.5:

Hình 1.3. Các khối mạng của GPRS
1.2.2.1. MS (Mobile Station) - Trạm di động
Trạm di động (MS - mobile station) có thể là một máy tính xách tay hay bỏ
túi, một máy điện thoại di động hoặc bất kỳ một thiết bị nào khác có hỗ trợ công
nghệ GPRS.Về mặt chức năng, MS bao gồm hai cấu kiện:

21


- Thiết bị đầu cuối TE (terminal equipment), chẳng hạn như một máy tính
xách tay;
- Đầu cuối di động MT (Mobile Terminal),chẳng hạn như một modem.
- Có 3 loại MS được quy định cho việc sử dụng mạng GPRS là A, B và C
dựa vào sự đăng nhập tới mạng PLMN mà GPRS hỗ trợ, MS sẽ thông báo tới mạng
về lớp GPRS và tiềm năng đa khe thời gian của nó.
Tuỳ thuộc vào loại thiết bị và vào khả năng mạng,trạm di động sẽ hoạt động
theo một trong ba chế độ làm việc:
- Cấp A – hỗ trợ đồng thời sự đăng nhập, sự khởi hoạt (activiation), giám sát
báo khẩn (invocation), lưu lượng cho phép trạm di động cùng một lúc phát đi cả dữ
liệu và tiếng nói, có nghĩa là làm việc đồng thời trong cả mạng GSM lẫn GPRS.
- Cấp B – hỗ trợ đồng thời sự đăng nhập , sự kích hoạt, giám sát. Tuy nhiên,
nó chỉ hỗ trợ thông báo khẩn đồng thời trong giới hạn. Ví dụ như kênh ảo GPRS sẽ
không được giải quyết do sự có mặt của lưu lượng chuyển mạch kênh. Trong trường
hợp như vậy, sự kết nối ảo GPRS sẽ bị bận hoặc treo, đồng thời lưu lượng sẽ không
được hỗ trợ bởi MS cấp B. Thuê bao có thể phát hoặc thu các cuộc gọi của cả 2 dịch
vụ GSM và GPRS liên tiếp nhưng không đồng thời. Sự lựa chọn dịch vụ thích hợp
được thực hiện tự động. Nói cách khác, cấp B cho phép trạm di động phát đi cả
tiếng nói cả dữ liệu, nhưng vào các thời điểm khác nhau, có nghĩa là không đồng
thời.
- Cấp C – chỉ hỗ trợ sự đăng nhập không đồng thời. Nếu cả 2 dịch vụ được
hỗ trợ thì MS loại C chỉ có thể phát hoặc thu hoặc đồng thời phát và thu các cuộc
gọi chỉ từ dịch vụ tự lựa chọn hoặc mặc định. Trạng thái dịch vụ GSM hoặc GPRS
không được lựa chọn bị loại khỏi mạng. Thêm vào đó, khả năng của MS cấp C để
thu và phát bản tin ngắn SMS là tùy chọn. Nhưng đến hiện nay, cấp C chỉ cho phép
trạm di động làm việc trong chế độ GPRS.
Khi đấu nối vào mạng GPRS trạm di động (mà chính xác hơn là thành phần
TE) sẽ nhận địa chỉ IP; địa chỉ này không thay đổi trước thời điểm đấu nối của đầu
cuối di động MT; hơn nữa, trạm di động thậm chí có thể không nghi ngờ gì về việc
nó là di động. Trạm di động thiết lập kết nối với nút dịch vụ của các thuê bao
GPRS, mà sẽ được mô tả ở sau.
22


1.2.2.2. BSS (Base Station System) - Trạm gốc
Trạm gốc BSS (Base Station System) thu tín hiệu vô tuyến từ trạm di động và
tuỳ thuộc vào việc cái gì được phát đi (tiếng nói hay dữ liệu) mà nó sẽ chuyển tiếp
lưu lượng:
- tới trung tâm chuyển mạch di động MSC (Mobile Switching Center) vốn là
thành phần tiêu chuẩn của mạng GSM;
- tới nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN- Serving GPRS Support Node) là nơi
chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu đến/đi của GPRS.
Thành phần của BSS bao gồm: BSC, PCU và BTS.
BSC làm các chức năng sau trong GPRS:
- Quản lý mobile GPRS.
- Xử lý tìm gọi của GPRS.
- Quảng bá thông tin GPRS. Đây là phần không thể thiếu trong các dịch vụ
GPRS của các mạng di động ở Việt Nam hiện nay.
BTS làm các chức năng sau:
- Tách riêng cuộc gọi giữa chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói trước khi
chuyển đến MSC/VLR và dữ liệu gói khi đến SGSN.
- Giao diên vô tuyến cho dữ liệu gói.
Khối điều khiển gói (PCU - Packet Control Unit):
Khối PCU được bổ sung vào cơ sở hạ tầng của GSM, có thể coi đây là sự nâng
cấp phần mềm cho BSC, PCU có quan hệ với các giao thức vô tuyến lớp thấp, nó
xử lý lưu lượng dữ liệu và tách ra khỏi lưu lượng thoại GSM. Ngoài ra, PCU còn
thêm chức năng tạo gói và điều khiển dộng liên kết vô tuyến. Điều này cho phép
nhiều người sử dụng có thể truy cập tới nguồn tài nguyên vô tuyến giống nhau theo
những phương pháp truy nhập riêng và giải phóng kênh truyền khi không sử dụng.
PCU làm các chức năng sau:
- Chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến dữ liệu gói trong BSS.
- PCU chịu trách nhiệm xử lý lớp MAC và PLC của giao diện vô tuyến, lớp
BSSGP và NS của giao diện Gb.
- Truyền dữ liệu gói.

23


1.2.2.3. SGSN (Serving GPRS Support Node) - Nút phục vụ các thuê bao
GPRS
Nút phục vụ thuê bao SGSN là thành phần chủ yếu của mạng GPRS. Nó có
nhiệm vụ chuyển tiếp các gói IP mà trạm di động gửi đi và nhận được.
Về thực chất nó cũng là một trung tâm chuyển mạch giống như MSC trong
GSM, nhưng có khác ở chỗ nó chuyển mạch cho các gói chứ không phải các kênh.
Thông thường, nút này được xây dựng trên cơ sở OC Unix và có địa chỉ IP riêng
của nó.Từ quan điểm an toàn, SGSN có thể có các chức năng:
* Kiểm tra sự cho phép các thuê bao sử dụng các dịch vụ đã được mã hoá
(authentication). Cơ chế chứng thực của GPRS giống với cơ chế tương tự trong
GSM;
* Giám sát các thuê bao đang hoạt động.
* Mã hoá các dữ liệu. Thuật toán mã hoá trong công nghệ GPRS (GEA 1,
GEA 2, GEA 3) khác với các thuật toán mã hoá trong GSM (A5/1, A5/2, A5/3),
nhưng được xử lý trên cơ sở các thuật toán đó.
1.2.2.4. GGSN (Gateway GPRS Support Node) - Nút định tuyến của GPRS
Nút định tuyến GGSN (gateway GPRS support node) cũng là một thành phần
quan trọng của công nghệ GPRS và chịu trách nhiệm thu và phát các dữ liệu từ các
mạng bên ngoài, chẳng hạn như Internet hay mạng của các nhà khai thác GPRS
khác. Nói cách khác, nếu nhìn từ phía các mạng gói IP bên ngoài thì GGSN hoạt
động như 1 bộ định tuyến cho các địa chỉ IP của mọi thuê bao được phục vụ bởi
mạng GPRS. Từ quan điểm các nhà khai thác mạng GPRS bên ngoài thì đây là các
bộ định tuyến thông thường (cũng giống như SGSN, chúng dựa trên Unix) có
nhiệm vụ nhận các dữ liệu cho tất cả các thuê bao dịch vụ GPRS. Ngoài việc định
tuyến GGSN còn có nhiệm vụ phân phối các địa chỉ IP và các dịch vụ tính cước.
1.2.2.5. MSC (Mobile Switching Center)
MSC đảm nhiệm các chức năng sau:
- Cập nhật thông tin từ SGSN.
- Yêu cầu gọi CS đến SGSN.
- Kết hợp báo hiệu cho mobile loại A/B.
- Ngưng tạm thời hoặc chiếm lại (A và Gb).
24


1.2.2.6. Các thành phần khác
* HLR (Home Location Register) - bộ ghi vị trí thường trú (các thuê bao riêng
của mạng) có nhiệm vụ lưu trữ thông tin về mỗi cá nhân phải thanh toán cước dịch
vụ cho nhà khai thác GPRS của chính mạng này. Đặc biệt là HLR lưu trữ thông tin
về các dịch vụ phụ, về các tham số chứng thực và về địa chỉ IP v.v... Các thông tin
này được trao đổi giữa HLR và SGSN.
* VLR (Visitor Location Register) - bộ ghi vị trí tạm trú (các thuê bao chuyển
vùng) có nhiệm vụ lưu trữ thông tin về mỗi trạm di động mà vào thời điểm cho
trước đang nằm trong vùng phủ sóng của SGSN. Trong VLR có lưu trữ các thông
tin về các thuê bao tương tự như trong HLR nhưng chỉ tới khi thuê bao rời khỏi
vùng lãnh thổ mà bộ ghi tạm trú này phục vụ.
* EIR (Equipment Identity Register) - bộ ghi danh tính thiết bị (ghi các dữ liệu
để nhận dạng thiết bị) có nhiệm vụ lưu giữ các thông tin cho phép khoá các cuộc
gọi từ các thiét bị gian lận, trộm cắp hoặc bất hợp pháp.
1.2.3. Nguyên tắc hoạt động của GPRS
Khi hoạt động, một thiết bị đầu cuối GPRS làm việc giống như một điện thoại
di động chuẩn – cả hai liên lạc với một trạm gốc và cơ sở hạ tầng cung cấp tính
năng xác thực, kết nối và dịch vụ. Điểm khác biệt chính là GPRS cho phép người sử
dụng “được kết nối” liên tục với mạng.
Thay vì gửi dữ liệu tới một đích cố định - kết nối quay số, GPRS cho phép các
gói dữ liệu được chèn vào một luồng kết nối thường trực. Các gói tin từ những
người sử dụng khác nhau trong một tế bào được đan xen, sao cho dung lượng
truyền dẫn “luôn có” (always-on) được chia sẻ, mà không có khe thời gian định
trước thường trực được phân bổ cho một cuộc gọi. Do đó, dung lượng có thể được
phân bổ khi cần thiết và giải phóng khi không cần.
Tốc độ truyền dữ liệu GSM là 14,4 kbit/s thông qua một kết nối cố định được
thay thế trong GPRS băng cách truy nhập vào từ 1 tới 8 khe thời gian đồng thời
chạy với dung lượng kết hợp vào khoảng 14,4 kbit/s cho mỗi khe. Tốc độ dữ liệu cụ
thể tùy thuộc vào các điều kiện vô tuyến. Dung lượng này có được đến mức nào tùy
thuộc vào các phiên bản GPRS khác nhau và các đặc tính khác nhau.

25


x

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×