Tài liệu Cấu trúc và ứng dụng của mang gms gprs

Mục lục CHƯƠNG 1. Cấu trúc hệ thống GSM/GPRS...................................................2 1.1 1.2 Hệ thống GSM..........................................................................................2 1.1.1 Giới thiệu hệ thống GSM...........................................................3 1.1.2 Cấu trúc hệ thống GSM..............................................................3 1.1.3 Các thành phần trong mạng:.......................................................4 Cấu trúc mạng GPRS:...............................................................................9 1.2.1 Tổng quan về GPRS...................................................................9 1.2.2 Các phần tử trong mạng GPRS.................................................10 CHƯƠNG 2. Đặc điểm và ứng dụng của truyền thông GSM/GPRS............12 2.1 Các đặc điểm chính của truyền thông GSM/GPRS.................................12 2.2 So sánh với truyền thông bằng Wifi........................................................13 2.3 Các ứng dụng của truyền thông GSM/GPRS..........................................14 CHƯƠNG 3. HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG GPRS TRONG CÔNG NGHIỆP ............................................................................................................................ 16 3.1 Giới thiệu nền tảng TIA PORTAL..........................................................16 3.2 Hoạt động của mạng GPRS trong công nghiệp.......................................16 3.3 Tổ chức mạng GPRS trong công nghiệp.................................................17 3.3.1 Mạng hình sao..........................................................................17 3.3.2 Mạng hình sao mở rộng............................................................19 3.4 Bảo mật dữ liệu từ trạm trường gửi về trạm trung tâm............................19 3.5 Kết nối Module GPRS CP1242-7 với PLC.............................................20 CHƯƠNG 4. TỔNG QUAN VỀ MODULE CP1242-7...................................22 4.1 Giới thiệu tổng quan về module..............................................................22 4.1.1 4.2 4.3 Cấu tạo của module CP 1242-7................................................23 Các chế độ làm việc.................................................................................25 4.2.1 Telecontrol...............................................................................25 4.2.2 Teleservice...............................................................................26 4.2.3 Chế độ bảo mật.........................................................................26 Ứng dụng của module truyền thông CP1242-7.......................................26 4.3.1 Gửi tin nhắn SMS.....................................................................27 4.3.2 Giao tiếp trực tiếp giữa 2 trạm PLC có gắn module GSM/GPRS 27 1 4.3.3 Teleservice thông qua mạng GPRS với telecontrol server........27 Danh mục hình ảnh 2 Hình 1.1 Mô hình hệ thống mạng GSM.................................................................4 Hình 1.2 Cấu trúc của BSS.....................................................................................7 Hình 1.3: Mạng GPRS..........................................................................................11 Hình 2.1:Mô hình hệ thống giám sát nước thải....................................................15 Hình 3.1: Hoạt động của mạng GPRS..................................................................18 Hình 3.2: Mạng hình sao......................................................................................19 Hình 3.3: Mạng hình sao mở rộng........................................................................20 Hình 3.4: Bảo mật dữ liệu từ trạm trường gửi về trạm trung tâm........................21 Hình 3.2 Chọn kiểu liên kết và chức năng của module........................................21 Hình 3.3: APN setting...........................................................................................22 Hình 3.4: Cấu hình TeleSevice............................................................................ 22 Hình 4.1: Module CP1242-7.................................................................................23 Hình 4.2: Mặt trên................................................................................................ 24 Hình 4.3: Mặt dưới...............................................................................................25 Hình 4.4: Mặt bên.................................................................................................25 Hình 4.3: Mặt dưới...............................................................................................26 Hình 4.4: Mặt bên.................................................................................................26 Hình 4.5: Mô hình telecontrol..............................................................................27 Hình 4.6: Mô hình Teleservice.............................................................................28 Hình 4.7: Gửi tin nhắn SMS thông qua mạng GPRS...........................................29 Hình 4.8: Giao tiếp giữa 2 PLC có gắn module GSM/GPRS...............................29 Hình 4.9: Teleservice thông qua mạng GPRS với Telecontrol server…………..30 CHƯƠNG 1. Cấu trúc hệ thống GSM/GPRS 3 1.1 Hệ thống GSM 1.1.1Giới thiệu hệ thống GSM GSM (Global System for Mobile Communication) là hệ thống thông tin di động sổ toàn cầu ở dải tần 900MHz, 1800MHz, và 1900MHz được tiêu chuẩn viễn thông chằu Âu (ETSI) quy định. Nó được xem như là một hệ thống Mạng thông tin di động thế hệ thứ hai (second generation, 2G). Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể chuyển vùng (roaming) với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới. Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi. Hệ thống sẽ tự động cập nhật thông tin về vị trí thuê bao. GSM cung cấp một số tính năng như thoại, thông tin sổ liệu tốc độ cao, Fax và dịch vụ nhắn tin ngắn. 1.1.2 Cấu trúc hệ thống GSM Một hệ thống GSM được chia thành nhiều hệ thống con như sau:  Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem).  Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem).  Phân hệ bảo dưỡng và khai thác OSS (Operation Subsystem).  Trạm gốc MS (Mobile Station). Hình 5.1 Mô hình hệ thống mạng GSM      PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng ISDN : Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng Phân hệ chuyển mạch NSS bao gồm các khối chức năng: Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Switching Center) Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register) Bộ ghi định vụ tạm trú VLR (Visitor Location Register) Trung tâm nhận thực AuC (Authentication Center) 4  Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identification Register)  Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng GMSC (Gateway Mobile Switching Center)  Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm các khối chức năng:  Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Center)  Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station)  Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS bao gồm các khối chức năng: Trung tâm quản lý mạng NMC (Network Management Center) Trung tâm quản lý và bảo dưỡng OMC (Operation & Maintainance Center)  Trạm di động MS:  Thiết bị di động ME (Mobile Equipment)  Module nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module) 1.1.3 Các thành phần trong mạng: 1.1.1.1. Phân hệ chuyển mạch NSS Phân hệ chuyển mạch bao gồm các chức nãng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sờ dừ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của NSS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác, phân hệ NSS bao gồm các thiết bị MSC, VLR, HLR, EIR, AUC. a) Tổng đài MSC MSC (Mobile Switching Center) là giao diện giữa GSM và PSTN, nó có trách nhiệm kết nối và giảm sát cuộc gọi đển MS và từ MS đi. Có nhiều chức năng được thực hiện trong MSC. Ví dụ: lập mã xác nhận. MSC có giao diện với BSS phía MS và có giao diện với các mạng ngoài. Một MSC cổng làm nhiệm vụ phối ghép thích ứng với mạng ngoài bảo đàm thông tin giữa thuê bao di động và thuê bao cố định. MSC thường là một tống đài lớn thích ứng với vùng đô thị một triệu dân cư. Để kết nối MSC với các mạng khác cần phái thích ứng các đặc điểm truyền dẫn PLMN với các mạng dó. Các thích ứng này gọi là các chức năng tương tác IWF (Internet Working Funtions). Đảm trách IWF là thiểt bị thích ứng thủ tục và truyền dẫn. IWF cho phép PLMN kết nối với các mạng PSTN, ISDN, PSPDN, CSPDN. IWF có thể được thực hiện kết hợp trong MSC hay có thể được thực hiện ở thiết bị riêng. b) Bộ đăng ký định vị thường trú HLR Trong GSM mỗi một hoạt động được lưu giữ sổ liệu cùng những thông tin về tất cả thuê bao. Dữ liệu được lưu giữ phụ thuộc vào PLMN. Những dữ liệu lưu giữ này có thể được thực hiện trờn một hoặc nhiều HLR. Những thờng tin được lưu giữ trong các dữ liệu là sự chỉ định của thuc bao và phục vụ yêu cầu. 5 Bất kể MS ớ dâu. HLR đều lưu dữ mọi thông tin liên quan đển việc cung cấp các dịch vụ viền thông kế cá vị trí hiện thời của MS. HLR thường tà một máy tính đứng riêng có khả năng quán lý hàng trăm ngàn thuê bao. nhưng không có khả năng chuyển mạch. Một chức năng nữa của HLR là nhận dạng thông tin do AUC cung cấp (số liệu bảo mật về tính hợp pháp của thuê bao). c) Bộ đăng ký định vị tạm trứ VLR VLR được thực hiện trong cùng một hệ chuyển mạch MSC, tức MSC/VLR. VLR chứa đựng những thông tin tạm thời về thuê bao di động có mặt trong vùng phục vụ MSC/VLR xác định. VLR là một cơ sở dữ liệu được nối với một hay nhiều MSC. Các số liệu định vị thuê bao MS lưu giữ trong VLR chính xác hơn số liệu tương ứng trong HLR. Chức năng của VLR thường được liên kết với chức năng MSC. MSC/VLR thực hiện chuyển mạch các cuộc gọi và trạm nên đicm điều khiển để cập nhật vị trí và chuyển giao MSC chủ yếu chịu trách nhiệm cho thiết lập cuộc gọi (bao gồm cà thù tục nhận thực), điều khiển cuộc gọi và tính cước. Các chức năng củaVI-R với các mạng là lưu giữ và cập nhật số liệu thuê bao (xem bộ ghi dịnh vị tạm trú). MSC/VLR coi tất cả các thuê bao tạm trú MSC cổng (GMSC) nối PLMN với các mạng khác. Dây là điểm mà các cuộc gọi đển các thuê bao di động đi vào mạng PLMN. GMSC có phương tiện hỏi, nghĩa là GMSC có các chức năng để nhận thông tin từ HLR về vị trí hiện thời của thuê bao. Nó cùng có các chức năng định tuyến lại cuộc gọi đển trạm di động theo thông tin nhận được từ việc hỏi nói trên. d) Tổng đài GMSC Tổng đài GMSC là một MSC cổng (Gàte MSC). Nếu một người nào đó ở mạng cố định PSTN muốn thực hiện một cuộc gọi đển một thuê bao GSM. Tổng đài ở PSTN sẽ nối cuộc gọi này đển một MSC có trang bị một chức năng được gọi là chức năng cổng. Tổng đài này được gọi là tổng đài cổng GMSC. GMSC sẽ phải tìm ra vị trí của MS cần tìm bằng cách hỏi 11LR nơi MS đăng ký. HLR trả lời vùng MSC hiện thời. Lúc này MSC định tuyến lại cuộc gọi đển MSC cần thiết và VLR ở đây sẽ biết chi tiết về vị trí MS. Ở một mạng GSM tất cả các cuộc gọi kết nối dì động đều được định tuyến đển GMSC. GMSC có chức năng hời định tuyến cuộc gọi. e) Trung tâm nhận thực AIJC Với lý do an toàn về chất lượng, ngôn ngữ, dữ liệu và báo hiệu sẽ được mã hoá và được nhập dưới dạng kí hiệu ở đầu vào, chỉa khoả bí mật được cất giữ trong AUC và được sử dụng trong MS. Ban đầu AUC sẽ được thực hiện bằng một hoặc nhiều thông tin riêng lẻ, được nối đen HLR. AUC chủ yểu chứa một số các mảy tính cá nhân. AUC được coi như một thiết bị dầu vào/ra (I/O), lúc đầu nó được nối bảng lệnh chuẩn. Chức năng AUC là cung cấp cho HLR các thờng số nhận thực và khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật. f) Bộ ghi nhận thực thiêt bị EIR 6 Trong GSM có sự khác biệt giữa bộ nhận dạng mã hoá và thiết bị di động. Ta thấy AUC sê được nhập và dưới dạng kí hiệu khi nhập vào. Các thiết bị di động được kiểm tra trong EIR. Đe ngăn chặn sự đánh cap và những dạng không được phê chuẩn mà MS sẽ dùng. EIR được nối với MSC qua một đường báo hiệu, nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị. Bằng cách này có thế cấm MS có dạng không được phê chuẩn. EIR có chức năng kiểm tra tính hạp lệ cúa ME thông qua số liệu nhận dạng di động quốc tế (IMEI-International Mobile Equipment Identity) và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị. ME thuộc một trong ba danh sách sau: - Nếu ME thuộc danh sách trắng (White List) thì nó được quyền truy nhập và sử dụng các dịch vụ đã đăng ký. - Nếu ME thuộc danh sách xám (Gray List) tức là có nghi vấn và cần kiêm tra. - Nếu ME thuộc danh sách đen (Black List) tức là bị cấm không cho truy nhập vào mạng. g) Mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCS7) Nhà khai thác GSM có thế có mạng báo hiệu CCS7 riêng hay chung phụ thuộc vào quy định của từng nước. Nếu nhà khai thác có mạng báo hiệu này riêng thì các điểm chuyển báo hiệu SPT (Signalling Transfer Point) có thể là một bộ phận của NSS và có thể được thực hiện ở các điềm nút riêng hay kết hợp trong cùng một MSC tuỳ thuộc vào điều kiện kinh tế. Nhà khai thác GSM có thế dùng mạng riêng để định tuyến các cuộc gọi ra đển điểm gần nhất trước khi sứ dụng mạng cố định. Lúc này các tổng đài quá giang TE (Transit Exchange) có thể sẽ là một bộ phận cứa mạng GSM và có thể thực hiện như một nút đứng riêng hay kết hợp với MSC. 1.1.1.2. Phân hệ trạm gốc BSS Hình 1.2 Cấu trúc của BSS BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS thông qua giao diện vô tuyến nên nó bao gồm các thiết bị phát và thu đường vô tuyến cùng với các thiết bị quản lý các chức năng này. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài NSS. Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài, tức là kết nối thuê bao di động MS với những người sử dụng viễn thông khác. Do vậy, BSS phải phối ghép với NSS bảng các thiết bị BSC. Ngoài ra do BSS cũng cần phái được điều khiển nên nó được đấu nối với OSS. BSS bao gồm hai thiết bị'. BTS giao tiếp với MS và BSC giao tiếp với MSC. 7 a. Trạm thu phát gốc (BTS - Base Tranceiver Station). BTS gồm tất cả các thiết bị giao tiếp truyền dẫn và vô tuyến cần thiết ở trạm vô tuyến dù trạm phủ một hay nhiều cell. BTS thực hiện các chức năng sau: - Thu phát vô tuyến. - Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý. - Mã hóa và giải mã hóa. - Mật mã hóa và giải mật mã. - Điều chế và giải điều chế. b. Trung tâm điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller) BSC là khối chức năng điều khiển, giám sát các BTS và các liên lạc vô tuyến trong hệ thống. BSC điều khiển công suất, quản lý giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển của BTS và MS. Vai trò chủ yếu của BSC là quản lý các kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một BSC quản lý hàng chục BTS tạo thành một trạm gốc. Một tập hợp các trạm gốc gọi là phân hệ trạm gốc. Giao diện Abis được quy định giữa BSC và MSC. Sau đó, giao diện Abis cũng được quy định giữa BSC và BTS. Tóm lại, BSC được ấn định các chức năng chính sau:  Quản lý mạng vô tuyến: việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell và các kênh logic của chúng. Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo đạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường vô tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại...  Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình của BTS ( số máy thu/phát, tần số cho mỗi trạm... ). Nhờ đó mà BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi.  Điều khiển nối thông các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các kết nối tới MS. Trong quá trình gọi, các kết nối được BSC giám sát. Cường độ tín 8 hiệu, chất lượng kết nối ở MS và TRX gửi đển BSC. Từ đó, BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu, đảm bảo kết nối cũng như đưa ra quyết định chuyển giao MS sang cell khác. Bên cạnh đó, BSC cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênh của cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều.  Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin. Trong trường hợp có sự cố một tuyến đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự phòng. 1.1.1.3. Trạm di động MS MS là một đầu cuối di động, có thể được đặt trên ô tô hay xách tay. Sự hợp tác giữa các mạng thông tin tạo điều kiện để MS được chuyển giao trong phạm vi bất kì. MS có bộ phận ME đầy đủ phần cứng và phần mềm để phối ghép với giao diện vô tuyến được quy định sẵn. a. ME là phần cứng để thuê bao truy nhập mạng. Có 3 loại ME: - Trên xe (lắp đặt trong xe, anten ngoài xe). - Xách tay (anten không liền tổ hợp cầm tay). - Cầm tay (anten liền với tổ hợp cầm tay, máy cầm tay nằm gọn trong lòng bàn tay). ME có số nhận dạng là IMEI. Nhờ có IMEI mà ME bị mất sẽ không được phục vụ. b. Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Indentity Module) Là một card điện tử cắm vào ME để nhận dạng thuê bao và các loại dịch vụ mà thuê bao đăng ký. Nhà cung cấp dịch vụ di động bán SIM cho thuê bao khi đăng ký. MS có 3 chức năng: - Thiết bị đầu cuối: để thực hiện các dịch vụ người sử dụng (thoại, fax, số liệu). - Thích ứng đầu cuối: bộ thích ứng đầu cuối trong MS có vai trò liên kết thiết bị đầu cuối với kết cuối di động. Khi lắp đặt các thiết bị đầu cuối trong môi trường di động, 9 MS có bộ thích ứng đầu cuối tuân theo tiêu chuẩn ISDN, còn thiết bị đầu cuối thì có giao diện với modem. - Kết cuối di động: thực hiện truyền dẫn ở giao diện vô tuyến và mạng. 1.1.1.4. Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS Đối với sự quản lý hệ thống GSM, OSS hoạt động theo các hình thức hoạt động sau: Sự quản lý thuê bao di động Sự quản lý mạng cellular Điều khiển chuông Hệ thống OSS được nối đển tất cả các thiết bị ở hệ thống chuyển mạch và nối đển BSC. OSS thực hiện ba chức năng chính là: Khai thác và bảo dưỡng mạng, quản lý thuê bao và tính cước, quản lý thiết bị di động. a. Chức năng khai thác và bào dưỡng mạng Khai thác là hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như tải cửa hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai cell.v.v.. Nhờ vậy, nhà khai thác có the giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời nâng cấp. Khai thác còn bao gồm việc thay đổi cẩu hình để giảm những vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tưcrng lai và mờ rộng vùng phủ sóng. Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố và hỏng hóc, nó có một số quan hệ với khai thác. Bảo dưỡng bao gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế các thiết bị có sự cố, cũng như việc sử dụng các phần mềm điều khiển từ xa. b. Chức năng quản lý di động Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xoá thuê bao khói mạng. Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung. Khi đó HLR, SIM-Card đóng vai trò như một bộ phận quản lý thuê bao. c. Chức năng quản lý thiết bị di động Quản lý thiết bị di động được thực hiện bời bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Indentity Register). EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đển trạm di động MS. EIR được nối đển MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị, ở GSM, EIR được coi như thuộc hệ thống NSS. 1.2 Cấu trúc mạng GPRS: 1.1.4Tổng quan về GPRS GPRS (General Packet Radio Service) là một chuẩn dữ liệu gói trong hệ thống GSM do ủy ban truyền thông châu Âu (ETSI) đưa ra. GPRS cung cấp một nguyên tắc truyền dẫn các gói tin trong truyền thông vô tuyến giữa các thiết bị di động của GSM vơi các mạng chuyển mạch gói khác. GPRS được triển khai trên 10 nền mạng GSM là mạng chuyển mạch kênh. Chuyển mạch gói cắt dữ liệu thành các gói tin rồi truyền độc lập đển người sử dụng. Chuyển mạch kênh không thích hợp cho lưu lượng lớn, vì người sử dụng phải trả tiền cho toàn bộ thời gian chiếm dụng kênh mặc dù có những thời điểm không có gói tin nào được gửi đi. Trái lại với công nghệ chuyển mạch gói (GPRS), khách hàng có thể sẽ chỉ phải trả tiền cho số các gói tin được chuyển đi, điều này thuận lợi cho người sử dụng khi kết nối trực tuyến một thời gian dài với mạng. Người sử dụng GPRS được lợi từ việc thời gian truy nhập ngắn hơn cũng như tốc độ truyền số liệu cao hơn. Trong hệ thống GSM thông thường việc thiết lập kết nối diễn ra trong vài giây và tốc độ truyền số liệu hạn chế ở 9,6 Kbit/s. GPRS cho phép thời gian thiết lập dưới một giây và tốc độ truyền số liệu tối đa đạt trên 115 Kbit/s. Bằng các thêm chức năng GPRS vào mạng PLMN, các thuê bao có thể sử dụng hiẹu quả các tài nguyên vô tuyến để truy nhập trực tiếp vào các mạng công cộng dựa trên giao thức Internet(IP, X.25). Người sử dụng dịch vụ GPRS đăng kí vào một APN ( tên một điểm truy nhập) và được cấp một đia chỉ giao thức tiêu chuẩn (IP, X.25). Thiét bị di động của GPRS có thể được dùng từ một đển 8 kênh trên giao diện KG tùy thuộc vào kiểu thiết bị MS GPRS, các kênh này được cấp phát động cho MS khi tiếng hành thu phát các gói tin. Trong mạng GPRS, các kênh đường lên và đường xuống được phục vụ tách riêng nên MS có thể sử dụng được nhiều khe thời gian đồng thời. Việc án định nguồn kênh trong mạng GPRS linh hoạt tuy theo nhu cầu sử dụng và khả năng cho phép của nguồn kênh. Các gói tin có thể được gửi trên các khoảng thời gian rỗi giữa 2 lần hội thoại. Mạng GPRS cũng hỗ trợ dịch vụ bản tin ngắn SMS và các truy nhập ngầm định. Hình 1.3: Mạng GPRS 1.1.5 Các phần tử trong mạng GPRS GPRS được áp dụng một cách logic trên cấu trúc mạng GSM bằng việc thêm vào hai nút hỗ trợ GPRS (GSN): nút hỗ trợ phục vụ GPRS (SGSN), nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN). Trong một mạng GPRS có thế có nhiều GSN. SGSN (Serving GPRS Support Node): 11 - Có cùng mức với MSC - Lưu giữ vị trí của từng MS - Thực hiện các chức nâng quản lý di động - Thực hiện nhận thực - Thực hiện mã hoá - Cung cấp điều khiển truy nhập SGSN liên kết với hệ thống trạm gốc BSS bằng frame Relay (giao diện Gb) truyền các gói dữ liệu tới các thiết bị di động tron” vùng phục vụ của nó. SGSN cũng giao diện với HLR để lấy các thõng tin vé thuê bao. SGSN có chức năng phát hiện thiết bị di động mới vào vùng phục vụ và duy trì các thôna tin về vị trí trong vùng phục vụ đó. Trong quá trình kết nối với mạng (GPRS attach), SGSN thiết lập chức năng quàn lý di động chứa các thông tin liên quan di động và bảo mật cho MS. Khi kích hoạt PDP context, SGSN thiết lập PDU PDP context dê định tuyến tới GGSN phục vụ thuê bao GPRS. SGSN có thể gửi thông tin vị trí tới MSC/VLR và nhận các yêu cầu nhắn tin từ MSC/VLR qua giao diện Gs. GGSN (Serving GPRS Support Node): Cung cấp chức năng liên kết hoạt động với các mạng chuyên mạch gói ngoài và kết nối với các SGSN qua mạng dường trục GPRS-IP, dựa vào địa chi PDP. GGSN chuyến đổi các gói dữ liệu GPRS đển từ SGSN thành khuôn dạng giao thức dữ liệu gói (PDP) như X.25, IP và truyền các gói này trong mạng. GGSN có thế kết nối với mạng GPRS khác để phục vụ chuyển vùng. Khi dữ liệu được truyền từ mạng PDP tới mạng GSM, địa chi PDP đầu vào sẽ chuyến thành địa chỉ đích GSM. Các gói được đánh địa chỉ lại này gửi từ GGSN tới SGSN tưomg ứng. Để hỗ trợ chức năng định tuyến cho người sử dụng, GGSN lưu các địa chỉ của SGSN trong thanh ghi dịch vị trí. Hơn nữa, GGSN cũng thực hiện chức nãng nhận thực và tính cước. GGSN có thể yêu cầu cung cấp thông tin vị trí từ HLR qua giao diện Gc. GGSN là điểm đầu tiên của kết nối PDN vối mạng PLMN (diểm tham chiếu Gi). Các chức năng của SGSN và GGSN có thể được kết hợp trong cùng một nút vật lý hoặc là các nút khác nhau. SGSN và GGSN có chức năng định tuvến IP và kết nối với các bộ dinh tuyến 1P. SGSN và GGSN ở các mạng PLMN khác nhau sẽ được kết nối qua giao diện Gp. Giao diện này có chức năng của giao diện Gn và bổ sung chức năng bảo mật phục vụ truyền thông liên mạng PLMN. 12 CHƯƠNG 2. Đặc điểm và ứng dụng của truyền thông GSM/GPRS 1.3 Các đặc điểm chính của truyền thông GSM/GPRS Phương thức truyền thông GSM/GPRS có khá nhiều đặc điểm, ưu điểm nổi bật. Tuy nhiên trong tài liệu này em sẽ chỉ trình bày một vài đặc điểm giúp phương thức truyền thông này có thể được ứng dụng trong công nghiệp. 2.1.1Truyền thông tin giữ các thiết bị cách xa nhau Phương thức truyền thông GSM/GPRS là chuyển truyền thông phổ biến nhất cho các thiết bị di động trên thế giới, mạng thông tin cho phép có thể chuyển vùng với nhau nên các thiết bị có thể hoạt động ở nhiều nơi và có thể truyền tin dù ở cách xa nhau ( chỉ cần nằm trong vùng phủ sóng của trạm gốc thu phát sóng) 2.1.2Tính linh hoạt cao, thuận lợi khi có nhu cầu mở rộng hệ thống Vì các trạm gốc thu phát sóng đã được xây dựng và lắp đặt bởi các nhà mạng nên việc mở rộng thiết bị khá thuận lợi. Điều này cũng giúp chi phí xây dựng hệ thống ban đầu không quá lớn. 2.1.3Luôn luôn kết nối Không giống như các dịch vụ số liệu chuyến mạch kênh, truy nhập mạng GPRS không cần thủ tục thiết lập kết nối mạng trước khi gửi và nhận dữ liệu. Đặc tính này cho phép dữ liệu được gửi và nhận ngay khi có nhu cầu. Kiến trúc Publich/Subcriber là một mô hình ứng dụng hoàn hảo cho môi trường GPRS, cho phép các ứng dụng tự động đưa thông tin tới người sử dụng. Ví dụ như ứng dụng trong thị trường chứng khoán, người sử dụng di động yêu cầu được thông báo ngay khi nào cổ phiếu lẽn tới một giá cổ phần xác định. Server sẽ đưa thông tin này tới người sử dụng mà không cần thiết lập một cuộc gọi chuyển mạch kênh yêu cầu có thông báo đó. 13 1.4 So sánh phương pháp truyền thông bằng GPRS với Wifi Bang 1: So sánh phương pháp truyền thông bằng GPRS và WIFI Chỉ tiêu so sánh GPRS WIFI Tần số hoạt động 900;1800 MHz 2,4;5 GHz Khoảng cách với trạm thu phát < 2 km ( trong khu vực thành thì đông dân cư ) < 100m ( điều kiện không có vật cản ) Tốc độ truyền tải 56  114 kbps Điều kiện để truy nhập mạng Thiết bị nằm trong vùng phủ sống của trạm BTS và có gắn thẻ SIM Tốc độ tối đa 11 Mbps (chuẩn 802.11b ) Nằm trong vùng phủ song của modem. Thiết bị modem, router lấy tín hiệu Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển thành song WIFI Vì sóng có tần số càng cao thì càng dễ bị suy hao, hấp thụ nên trong truyền thông Wifi thì khoảng cách thì thiết bị đến trạm thu phát sóng là nhỏ hơn rất nhiều so với truyền thông GSM/GPRS. Một trạm thu phát khi lắp đặt thì cần được thiết kế sao cho công suất và khoảng cách đến các khu dân cư đảm bảo sự an toàn. Trong điều kiện lý tưởng, các trạm có thể phát sóng đi xa đến hàng chục kilomet. Khả năng xây dựng hệ thống cho các thiết bị sử dụng truyền thông GSM/GPRS cũng đơn giản hơn truyền thông bằng Wifi. Tốc độ truyền thông tin của GPRS còn thấp ( từ 56-114 kbps) Như vậy, phương thức truyền thông GSM/GPRS sẽ phù hợp với các hệ thống mà các trạm cách xa nhau, có nhu cầu mở rộng hệ thống lớn nhưng không cần truyền tải lượng dữ liệu lớn. không yêu cầu thời gian truyền tin nhanh. 14 1.5 Các ứng dụng của truyền thông GSM/GPRS 2.1.4 Ứng dụng trong đời sống 2.3.1.1.Giúp các thiết bị di động có thể gửi tin nhắn SMS, gửi tài liệu, truy cập mạng Internet 2.3.1.2.Kết hợp với hệ thống định vị toàn cầu GPS giúp xách định vị trí, hành trình của các phương tiện giao thông; theo dõi giám sát người già, người mất trí nhớ,… 2.1.5 Ứng dụng trong mạng cảm biến và công nghiệp 2.3.2.1,Trong các trạm đo khí trong thành phố -Các trạm đo sẽ đo và xử lý nồng độ các khí SO2, NO, CO2,… -Sau đó dữ liệu sẽ gửi về trạm giám sát qua module truyền thông GSM/GPRS -Các trạm giám sát sẽ xử lý dữ liệu để đưa ra các thông tin về mức độ ô nhiễm, khu vực tắc đường 2.3.2.2,Giám sát nước thải của các nhà máy Hệ thống gồm các thành phần chính sau:  Hệ thống đo và thu thập dữ liệu chất lượng nước thải tại hiện trường.  Hệ thống truyền-nhận dữ liệu qua mạng không dây GPRS/GSM.  Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu tại trung tâm. Hình 2.1:Mô hình hệ thống giám sát nước thải 15 - Hệ thống đo và thu thập dữ liệu chất lượng nước thải tại hiện trường Mỗi trạm gồm các đầu đo (sensor) và bộ truyền tín hiệu, hiển thị (transmitter) để phân tích liên tục (online) các chỉ tiêu nước thải như: pH, tổng chất rắn lơ lửng TSS, oxy hòa tan DO, COD online, BOD online, Nito tổng, Phosphate tổng, tổng cacbon hữu cơ TOC, ammonia, lưu lượng thải ra …. Tất cả các tín hiệu được tập hợp về bộ datalogger (bộ thu thập dữ liệu) truyền thông về trạm trung tâm qua mạng không dây GPRS/GSM. - Hệ thống truyền nhận dữ liệu qua mạng không dây GPRS/GSM: Việc truyền thông dữ liệu từ các trạm giám sát về Phòng Giám sát/Điều khiển trung tâm được thực hiện hoàn toàn tự động thông qua hạ tầng mạng không dây GPRS/GSM sẵn có của các mạng di động tại nước ta như Mobifone, Vinaphone và Viettel. Chọn giải pháp truyền thông GSM/GPRS cho hệ thống này là vì một số ưu điểm nổi trội sau: +, Vì trạm giám sát là của các đơn vị quản lý như thành phố, khu công nghiệp,… nên các trạm đo và giám sát cách nhau khá xa. +, Chi phí xây dựng cho hệ thống truyền thông thấp( không cần dây dẫn, không cần modem, router để kết nối); chi phí vận hành hàng tháng của hệ thống không quá lớn; khả năng mở rộng thêm trạm lớn, dễ dàng. +,Đưa ra cảnh báo kịp thời cho người vận hành hệ thống, người giám sát qua tin nhắn SMS. 16 CHƯƠNG 3. HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG GPRS TRONG CÔNG NGHIỆP 1.6 Giới thiệu nền tảng TIA PORTAL Chúng ta đều biết đến các phần mềm lập trình, mô phỏng của Siemens như Step7 – Microwin dùng cho PLC S7- 200, Step7 Manager dùng cho S7-300/400. WinCC là phần mềm để giám sát, thu thập dữ liệu, thiết kể giao diện cho giao diện HMI (SCADA). Cùng với xu thế phát triển, update phần mềm mới với các tính năng vượt trội, khắc phục nhược điểm, bất tiện của những version trước đó, Siemens cho ra đời một phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện totally Integrated Automation Portal (TIA Portal). - Phần mềm lập trình mới này giúp người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng, do giảm thiểu thời gian trong việc tích hợp, xây dựng ứng dụng từ những phần mềm riêng rẽ. - Phần mềm mới Simatic Step 7 V13, tích hợp trên TIA Portal, để lập trình cho S7-1200, 1500 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinAC. Simatic Step 7 V13 được chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu cầu của người sử dụng. Simatic Step 7 V13 cũng hỗ trợ tính năng chuyển đổi chương trình PLC, HMI đang sử dụng sang chương trình mới trên TIA Portal. - Phần mềm mới Simatic WinCC V13, cũng được tích hợp trên TIA Portal, dùng để cấu hình cho các màn hình TP và MP hiện tại, màn hình mới Comfort, cũng như để giám sát điều khiển hệ thống trên máy tính (SCADA). 1.7 Hoạt động của mạng GPRS trong công nghiệp Hoạt động của mạng GPRS gần giống với hệ thống SCADA. Dữ liệu thu thập được từ các I/O của PLC sau đó được truyền tới CP1242-7 qua kết nối Profinet. Module mạng GPRS sẽ gửi dữ liệu về trạm trung tâm thông qua mạng GPRS. 17 Hình 3.1: Hoạt động của mạng GPRS Từ trạm trung tâm có thể điều khiển các I/O cũng như giám sát được dữ liệu từ các trạm trường gửi về. Trạm dành cho các kỹ sư cũng được kết nối tới các trạm trường để có thể upload và download chương trình từ xa. 1.8 Tổ chức mạng GPRS trong công nghiệp 3.1.1 Mạng hình sao Mạng hình sao là mạnh dạng hình sao có một trạm trung tâm và các nút thông tin. Bên trong mạng, các nút thông tin là những trạm đầu cuối. Đôi khi nút thông tin cũng chính là hệ thống các máy tính và những thiết bị khác của mạng GPRS. 18 Hình 3.2: Mạng hình sao Khu vực trung tâm mạng dạng hình sao đảm nhận nhiệm vụ điều phối mọi hoạt động bên trong hệ thống. Bộ phận này mang các chức năng cơ bản là:  Nhận dạng những cặp địa chỉ gửi và nhận có quyền chiếm tuyến thông tin và tiến hành quá trình liên lạc với nhau.  Phê duyệt quá trình theo dõi và xử lý khi các thiết bị trao đổi thông tin với nhau.  Gửi đi các thông báo về trạng thái của mạng GPRS. Ưu điểm của mạng hình sao  Mô hình mạng GPRS dạng hình sao đảm bảo quá trình hoạt động bình thường khi có một nút thông tin bị hư hỏng. Bởi kiểu mạng GPRS này hoạt động dựa trên nguyên lý song song.  Đặc điểm cấu trúc mạng vô cùng đơn giản. Điều này giúp cho thuật toán được điều khiển một cách ổn định hơn.  Tùy vào nhu cầu sử dụng trong công nghiệp, mạnh dạng hình sao có thể được mở rộng hoặc thu hẹp theo ý muốn. Nhược điểm của mạng hình sao  Mặc dù có khả năng mở rộng mạng, nhưng điều này hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng hoạt động của bộ phận trung tâm. Một khi trung tâm gặp phải sự cố, toàn bộ hệ thống mạng sẽ không thể hoạt động.  Nhìn một cách tổng quan, mô hình mạng dạng hình sao giúp cho các trạm trường kết nối với trạm trung tâm một cách dễ dàng. Nhờ vậy mà 19 hệ thống mạng hạn chế tối đa các yếu tố gây ngưng trệ mạng trong quá trình hoạt động. 3.1.2 Mạng hình sao mở rộng Khác với các mô hình mạng kể trên, mạng hình sao mở rộng là sự kết hợp giữa các mạng hình sao với nhau. Ưu điểm của mạng hình sao mở rộng chính là có thể gia tăng lớn của mạng hình sao. Hình 3.3: Mạng hình sao mở rộng Mỗi trạm trung gian có thể coi như một khu vực hoặc một phân xưởng trong sản xuất. Từ các trạm trung gian này dữ liệu thu thập được tiếp tục gửi về trạm trung tâm cũng như từ trung tâm điều khiên các I/O của PLC. 1.9 Bảo mật dữ liệu từ trạm trường gửi về trạm trung tâm Tên điểm truy cập (Access Point Name - APN) là tên của các cài đặt mà thẻ sim của Module GPRS CP1242-7 đọc để thiết lập kết nối tới cổng giữa mạng di dộng của nhà cung cấp và Internet. Các cổng cũng như dữ liệu sẽ được mã hóa hoàn toàn trước khi gửi đi cũng như đảm bảo việc gửi đi là đúng địa chỉ mạng. 20