TELECOM - Tìm hiểu công nghệ GPRS

Overview

Nói đến GPRS chắc hẳn chúng ta không nhiều thì ít đều đã từng trải nghiệm rồi. Nhưng chúng ta đã hiểu được GPRS có thể làm được những gì? Chúng có lợi ích ra sao?

GPRS - General Packet Radio Service là một dịch vụ dữ liệu di động truy cập đến GSM và IS-136 điện thoại người dùng di động. Đây là dịch vụ chuyển mạch gói và một số số lượng người dùng có thể chia các kênh truyền dẫn tương tự để truyền dữ liệu. Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu vấn đề cơ bản GPRS và các ứng dụng GPRS.

GPRS là một bước thế hệ thứ ba đối với truy cập internet. GPRS cũng được biết đến như GSM-IP là Global-Hệ thống thông tin di động Internet Protocol là nó giữ những người sử dụng hệ thống này trực tuyến, cho phép thực hiện cuộc gọi bằng giọng nói, và truy cập Internet.

GPRS thay thế cho các kết nối có dây, như hệ thống này đã đơn giản hóa truy cập vào các mạng dữ liệu gói tin như internet. Các nguyên tắc vô tuyến gói tin được sử dụng bởi GPRS để vận chuyển người sử dụng các gói dữ liệu một cách cấu trúc giữa trạm di động GSM và mạng dữ liệu gói bên ngoài. Các gói này có thể được chuyển trực tiếp đến các mạng chuyển mạch gói từ các trạm di động GPRS.

Key Features

  • Hỗ trợ giao tiếp RS-232/485/TTL/10Base-T Ethernet, cung cấp A/D vào/ra và nhiều kênh truyền trong suốt.

  • Dựng sẵn hệ giao thức ip mà không cần nền máy tính hỗ trợ

  • Tuân theo tiêu chuẩn ETSI GSM Phase 2+

  • Hoạt động mạnh dễ dàng, hỗ trợ truyền dữ liệu điểm - điểm, điểm - đa điểm, trung tâm - đa điểm.

  • Hỗ trợ mạng riêng ảo, người dùng có thể tạo các mạng truyền thông với khoảng cách cực xa.

  • Thiết bị luôn trực tuyến, thanh toán theo dung lượng dữ liệu

  • Giao tiếp cấu hình hệ thống và bảo dưỡng

  • Hỗ trợ đánh thức từ xa

  • Hỗ trợ server tên miền động

  • Cung cấp TCP/IP server HMI trung tâm chuyển tiếp để đạt được hoạt động mạng tức thời mà không cần đến việc thay đổi phần mềm gốc

  • Thiết kế chống nhiễu ngay trong môi trường điện từ xấu.

Architecture

Kiến trúc GPRS hoạt động trên cùng một thủ tục như mạng GSM, nhưng có các đơn vị bổ sung cho phép truyền dữ liệu gói. mạng dữ liệu này chồng lên mạng GSM thế hệ thứ hai cung cấp vận chuyển dữ liệu gói theo mức 9,6-171 kbps. Cùng với việc vận chuyển dữ liệu gói mạng GSM chứa nhiều người dùng chia sẻ các nguồn tài nguyên cùng một lúc.

gprs-architecture.gif

Trong đó các phần tử mạng được mô tả:

  • Mobile Stations: trạm di động mới (MS) được yêu cầu sử dụng dịch vụ GPRS vì điện thoại GSM hiện nay không xử lý các giao diện không khí hoặc gói dữ liệu nâng cao. Một loạt các MS có thể tồn tại, bao gồm cả một phiên bản tốc độ cao của điện thoại hiện tại để hỗ trợ truy cập dữ liệu tốc độ cao, một thiết bị PDA mới với một chiếc điện thoại GSM nhúng, và thẻ PC cho các máy tính xách tay. Các trạm di động là tương thích ngược để làm cho các cuộc gọi thoại sử dụng GSM.

  • Base Station subsystem (MSC, BSS) mỗi BSC đòi hỏi phải cài đặt một hoặc nhiều đơn vị Packet Control (PCUs) và nâng cấp phần mềm. BĐP cung cấp một giao diện dữ liệu vật lý và logic cho Base Station Subsystem (BSS) cho lưu lượng dữ liệu gói. BTS cũng có thể yêu cầu một phần mềm nâng cấp nhưng thông thường không yêu cầu cải tiến phần cứng. Khi một trong hai giọng nói hoặc lưu lượng dữ liệu có nguồn gốc ở các điện thoại di động thuê bao, nó được vận chuyển qua giao diện không gian để các trạm BTS, và từ BTS tới BSC trong cùng một cách như một cuộc gọi GSM chuẩn. Tuy nhiên, ở đầu ra của BSC, giao thông được tách; giọng nói sẽ được gửi đến Trung tâm Điện thoại di động (MSC) mỗi tiêu chuẩn GSM chuyển mạch, và dữ liệu được gửi đến một thiết bị mới được gọi là SGSN qua BĐP qua một giao diện Frame Relay.

  • Support Node (SGSN, GGSN) GGSN - đóng vai trò như một giao diện và một bộ định tuyến với các mạng bên ngoài. Nó chứa thông tin định tuyến cho điện thoại di động GPRS, được sử dụng cho các gói tin thông qua đường hầm xương sống nội bộ dựa trên IP cho đúng Serving GPRS Support Node. GGSN còn thu thập những thông tin sạc kết nối với việc sử dụng các mạng dữ liệu bên ngoài và có thể hoạt động như một bộ lọc gói tin cho lưu lượng đến. SGSN - Cung cấp hỗ trợ GPRS Node có trách nhiệm xác thực của GPRS điện thoại di động, đăng ký điện thoại di động trong mạng, quản lý di động, và thu thập thông tin về thu phí cho việc sử dụng các giao diện không khí.

  • Internal backbone (HLR, AUC, EIR) là xương sống nội bộ của một mạng dựa trên IP được sử dụng để thực hiện các gói tin giữa GSNs khác nhau. Hầm được sử dụng giữa SGSNs và GGSNs, do xương sống nội bộ không cần bất kỳ thông tin về lĩnh vực bên ngoài các mạng GPRS. Tín hiệu từ một GSN đến một MSC, HLR hoặc EIR được thực hiện sử dụng SS7.

  • Routing Area cũng tương tự như diện tích địa điểm trong GSM, ngoại trừ việc nó thường chứa các thành phần ít hơn. Bởi vì khu vực định tuyến nhỏ hơn các khu vực vị trí, tài nguyên vô tuyến ít được sử dụng khi phát sóng một thông điệp.

Action method

Giả sử bạn đang ở một nơi xa lạ và muốn biết mình đang ở đâu. Bạn hỏi thăm một người dân địa phương và được biết đang cách Vũng Tàu 60 km. Thông tin nhận được mới chỉ cho bạn biết đang ở đâu đó trên vòng tròn tâm Vũng Tàu, bán kính 50 km.

Một người khác nói bạn cách Biên Hòa 40 km. Giờ thì đã rõ hơn, bạn biết mình đang ở một trong hai vị trí là giao nhau của 2 vòng tròn. Người thứ ba cho biết, bạn đang cách TP.HCM 20 km. Và bạn đã có thể xác định vị trí hiện tại của mình là Nhơn Trạch – nơi giao của 3 vòng tròn.

Nguyên lý trên cũng được áp dụng tương tự để xác định vị trí trong hệ thống GPS, lấy điểm giao nhau của 3 mặt cầu trong không gian 3 chiều, thay vì là 3 đường tròn.

how-gps-works-2-copy-w-large.jpg

Máy thu GPS qua tính toán xác định được khoảng cách tới một vệ tinh và biết được nó đang ở đâu đó trên mặt cầu tâm vệ tinh này. Hai mặt cầu đầu giao nhau tạo thành một vòng tròn. Mặt cầu thứ 3 sẽ cắt vòng tròn này chỉ tại 2 điểm, trong đó 1 điểm là vị trí của máy thu trên mặt đất. Điểm giao cắt thứ hai là một nơi nào đó lơ lửng trong không gian, cách xa trái đất hàng ngàn km nên có thể bỏ qua.

Một vệ tinh thứ tư cần thiết để cải thiện tính chính xác của việc xác định thời gian, vì chỉ cần sai số 1 phần triệu giây giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu cũng có thể dẫn đến định vị sai lệch hàng trăm mét.

Như vậy để xác định vị trí của mình trên mặt đất, máy thu GPS phải tính để biết khoảng cách tới 4 vệ tinh và vị trí chính xác của các vệ tinh trên quỹ đạo.

GPRS process

Máy thu GPS tính toán dựa vào khoảng thời gian tính từ khi vệ tinh phát tín hiệu đến lúc nó nhận được. Đó là tín hiệu radio tần số cao, công suất cực thấp. Sóng radio chuyển động với tốc độ đều, tương đương tốc độ của ánh sáng, khoảng 300.000 km/giây trong chân không. Để đo chính xác, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau, chỉ cần chênh nhau 1 phần triệu giây là đã dẫn đến sai số khoảng 300 m. Với độ chính xác như vậy, chỉ có thể là đồng hồ nguyên tử. Nhưng đồng hồ nguyên tử có giá quá cao, tới hàng chục ngàn đô la Mỹ, nên chỉ có thể trang bị cho các vệ tinh. Với máy thu, người ta buộc phải chọn phương án giá rẻ, dùng đồng hồ quartz thông thường. Các đồng hồ quartz này được hiệu chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để đồng bộ thời gian chính xác theo đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Nhờ đó mà bốn mặt cầu giao nhau tại một điểm.

a-gps-large.jpg

Tính khoảng cách tới vệ tinh. Vào một thời điểm nào đó trong ngày, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi dài tín hiệu số, được gọi là mã giả ngẫu nhiên. Cùng lúc, máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt, sau đó một chút mới nhận được chuỗi tín hiệu của vệ tinh. Độ trễ này là khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu. Nhân thời gian trễ này với vận tốc ánh sáng, máy thu tính ra quãng đường truyền tín hiệu. Đây là khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh, với giả thiết tín hiện truyền theo đường thẳng với vận tốc truyền không đổi.

Xác định vị trí vệ tinh. Điều này không quá khó, vì mỗi máy thu đều cập nhật và lưu trữ định kỳ một bảng tra cứu (gọi là almanac data) vị trí gần đúng của từng vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo vào bất kỳ thời điểm nào. Một số yếu tố như lực hút của mặt trăng, mặt trời làm lệch quỹ đạo của các vệ tinh đôi chút nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục giám sát vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền những hiệu chỉnh đến các máy thu GPS thông qua tín hiệu từ vệ tinh.

Vậy là chúng ta đã biết cách mà một máy thu GPS tính toán vị trí của nó trên mặt đất dựa trên thông tin nhận được từ 4 vệ tinh địa tĩnh. Qua quá trình thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, máy thu cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời. Trên smartphone, những thông tin này được thể hiện thành điểm trên bản đồ.

Dù vậy hệ thống tính toán vẫn còn những sai số. Trước hết là do phương pháp này giả định tín hiệu từ vệ tinh truyền thẳng tới các máy thu qua bầu khí quyển với vận tốc không đổi (bằng vận tốc ánh sáng). Trong thực tế, bầu khí quyển của trái đất làm chậm tốc độ truyền xuống một chút, đặc biệt là khi tín hiệu xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Độ trễ khác nhau tùy thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, có nghĩa là rất khó để loại trừ yếu tố sai số này trong các tính toán khoảng cách. Vấn đề cũng có thể xảy ra khi các tín hiệu radio phản xạ bởi các vật chắn lớn, chẳng hạn như những dãy núi cao hay tòa nhà chọc trời, khiến máy thu nhầm vệ tinh xa hơn thực tế. Đôi khi tín hiệu từ vệ tinh có sai số, báo sai vị trí của nó.

Một số kỹ thuật được áp dụng để sửa sai số tính toán của hệ thống GPS. Hệ thống định vị toàn cầu vi sai DGPS (Differential GPS) là một dạng nâng cao của GPS, trong đó sử dụng thêm một mạng các trạm thu GPS mặt đất cố định. Ý tưởng cơ bản là để tính toán sai số tại trạm thu GPS cố định so với số liệu đo đạc chính xác đã biết từ trước. Sau đó trạm phát tín hiệu radio cung cấp thông tin hiệu chỉnh tín hiệu cho khu vực, giúp những máy thu DGPS trong khu vực đó định vị chính xác hơn. DGPS được các nước như Mỹ, Úc và Canada dùng cho các hệ thống hỗ trợ tàu bè ven biển.

Trong khi đó công nghệ hỗ trợ định vị Assisted-GPS (A-GPS) thường được dùng cho các thiết bị cầm tay. Ngoài việc định vị GPS, smartphone sử dụng A-GPS còn kết nối với máy chủ thông qua mạng 3G, GPRS hay Wi-Fi để nhận tín hiệu phát ra từ các trạm phát sóng của nhà mạng. Nhờ thế mà thiết bị khắc phục được sai số từ tín hiệu vệ tinh khi truyền xuống vùng đô thị có nhiều tán cây, cao ốc.

Applications with GPRS

GPRS có thể được dùng cho những dịch vụ như truy cập Giao thức Ứng dụng Không dây (WAP), Dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS), Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS), và với các dịch vụ liên lạc Internet như email và truy cập World Wide Web. Dữ liệu được truyền trên GPRS thường được tính theo từng megabyte đi qua, trong khi dữ liệu liên lạc thông qua chuyển mạch truyền thống được tính theo từng phút kết nối, bất kể người dùng có thực sự đang sử dụng dung lượng hay đang trong tình trạng chờ. GPRS là một dịch vụ chuyển mạch gói nỗ lực tối đa, trái với chuyển mạch, trong đó một mức Chất lượng dịch vụ (QoS) được bảo đảm trong suốt quá trình kết nối đối với người dùng cố định.

GPRS được ứng dụng điều khiển lệnh từ xa trong công nghiệp, đo lường từ xa, hệ thông giám sát năng lượng từ xa, kinh doanh bán lẻ, hệ thống thông minh, xử lý chất thải, giám sát mực nước, nhiệt độ, môi trường và đô thời tiết

Tài liệu tham khảo

General_Packet_Radio_Service

GSM

Tutorial

Hệ thống định vị toàn cầu GPS hoạt động thế nào?