Các công nghệ sau 3G

Chương 1: Sự phát triển từ 2G qua 3G lên 4G 3 1.1. Nửa đầu thập kỷ 1990: Viễn thông chủ yếu là thoại 3 1.2. Từ 1995 đến 2000: sự cất cánh của viễn thông di động và Internet 3 1.3. Từ 2000 đến 2005: Dot Com suy sụp, xuất hiện Web 2.0 và Mobile Internet 4 1.4. Từ 2005 đến nay: thoại di động phủ sóng toàn cầu, VoIP và Mobile Broadband bắt đầu phổ biến 6 1.5. Tương lai – Nhu cầu đối với các hệ thống Sau 3G 7 1.6. Tất cả các hệ thống này đều dựa trên IP 10 Chương 2: Tổng quan các kiến trúc Sau 3G – Các hệ thống UMTS, HSPA, và HSPA+ 13 2.1. Tổng quan 13 2.2. UMTS 14 2.2.1. Giới thiệu 14 2.2.2. Kiến trúc mạng 14 2.2.3. Giao tiếp vô tuyến và mạng truy nhập vô tuyến 22 2.3. HSPA (HSDPA và HSUPA) 33 2.3.1. Các kênh dùng chung (shared channel) 33 2.3.2. Đa mã trải 34 2.3.3. Điều chế cấp cao hơn 35 2.3.4. Sắp đặt lịch truyền, điều chế và mã hóa, HARQ 36 2.3.5. Cập nhật và chuyển giao cell 37 2.3.6. HSUPA 38 2.4. HSPA+ và những cải tiến khác: Cạnh tranh với LTE 40 2.4.1. Điều chế cấp cao hơn nữa 40 2.4.2. MIMO 41 2.4.3. Khả năng truyền gói liên tục (Continuos Packet Connectivity) 41 2.4.4. Các trạng thái Enhanced Cell-FACH, Enhanced Cell/URA-PCH 44 2.4.5. Cải tiến mạng vô tuyến: Một đường hầm duy nhất (One-tunnel) 46 2.4.6. Cạnh tranh với LTE ở dải tần 5 MHz 47 Chương 3: LTE và LTE-Advanced 48 3.1. Giới thiệu 48 3.2. Kiến trúc mạng 49 3.2.1. Các trạm cơ sở cải tiến 49 3.2.2. Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy nhập vô tuyến 50 3.2.3. Gateway nối với Internet 51 3.2.4. Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng 52 3.2.5. Chuyển qua chuyển lại giữa những công nghệ vô tuyến khác nhau 52 3.2.6. Thuật ngữ “thiết lập cuộc gọi gói” trở thành lịch sử 52 3.3. Air Interface và mạng vô tuyến của LTE 53 3.3.1. Truyền dữ liệu hướng xuống 53 3.3.2. Truyền dữ liệu hướng lên 55 3.3.3. Các thông số vật lý 56 3.3.4. Từ khe đến khung 57 3.3.5. Các ký hiệu tham chiếu và các kênh truyền 58 3.3.6. Hướng xuống: Kênh quảng bá 59 3.3.7. Hướng xuống: Kênh nhắn tin 60 3.3.8. Hướng xuống và hướng lên: Các kênh truyền tải và kênh điều khiển dành riêng, và việc ánh xạ chúng vào kênh vật lý dùng chung 60 3.3.9. Hướng xuống: Các kênh điều khiển ở tầng vật lý 60 3.3.10: Hướng lên: Các kênh điều khiển ở tầng vật lý 61 3.3.11. Cấp phát lịch truyền linh động và cấp phát lịch truyền lâu dài 61 3.3.12. Truyền MIMO trong LTE 62 3.3.13. Tính toán thông suất LTE 63 3.3.14. Kiểm soát tài nguyên vô tuyến 64 3.3.15. Trạng thái tích cực RRC 65 3.3.16. Trạng thái rỗi RRC 65 3.3.17. Xử lý các gói dữ liệu ở eNodeB 66 3.4. Các thủ tục báo hiệu cơ bản 67 3.4.1. Tìm kiếm mạng và quảng bá các thông tin hệ thống 68 3.4.2. Liên hệ ban đầu với mạng 68 3.4.3. Xác minh thuê bao (authentication) 68 3.4.4. Yêu cầu cấp phát một địa chỉ IP 69 3.5. Tổng kết và so sánh với HSPA 69 3.6. LTE-Advanced 70 Chương 4: WiMAX (IEEE 802.16) 71 4.1. Giới thiệu 72 4.2. Kiến trúc mạng 72 4.2.1. Các mạng nhỏ dành cho khách hàng cố định 72 4.2.2. Các mạng từ vừa tới lớn và tính di động 72 4.2.3. ASN-GW 74 4.2.4. Xác minh và mã hóa 74 4.2.5. Cấp phát địa chỉ IP cho máy khách và các kênh R6 76 4.2.6. Quản lý tính di động ở tầm vi mô 76 4.2.7. Quản lý tính di động ở tầm vĩ mô 77 4.3. Giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của WiMAX cố định 802.16d 78 4.4. Giao tiếp và mạng vô tuyến của WiMAX di động 80 4.4.1. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 81 4.4.2. Truyền MIMO trong WiMAX 82 4.4.3. Các hệ thống ăng-ten thích nghi (AAS) 82 4.4.4. Các thủ tục chuyển giao 83 4.4.5. Chế độ tiết kiệm điện năng và chế độ ngủ 84 4.4.6. Chế độ rỗi 84 4.5. Các thủ tục báo hiệu cơ bản 85 4.6. Tổng kết và so sánh với HSPA và LTE 86 4.7. Các công nghệ này cạnh tranh lành mạnh

pdf95 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Lượt xem: 3085 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Các công nghệ sau 3G, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
cạnh tranh hơn. Giống như trong LTE, giao tiếp R6 giữa trạm cơ sở và ASN-GW hoàn toàn dựa trên IP. Hệ quả là, mọi công nghệ vận chuyển nào có khả năng vận chuyển các gói IP đều có thể được WiMAX sử dụng. Bởi vì các trạm cơ sở WiMAX đa vùng (multisector) có khả năng đạt những tốc độ truyền dữ liệu trên giao tiếp vô tuyến lên tới 30 Mbit/s và hơn nữa, nên những công nghệ vận chuyển thích hợp ở dặm cuối nối Các công nghệ di động Sau 3G 74 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 với trạm cơ sở là các hệ thống vi ba dựa trên Ethernet, các đường cáp VDSL và cáp quang. Các kênh E1 2 Mbit/s thì, do giá cả quá đắt và và tốc độ chậm so với khả năng của giao tiếp vô tuyến, nên không chắc được dùng. Để chuyển giao đường truyền giữa các trạm cơ sở một cách trơn tru, người ta đã qui định giao tiếp R8 như được minh họa trong Hình 4.1. Giống như kênh giao tiếp R6, nó cũng hoàn toàn dựa trên giao thức IP. Trong thực tế, mỗi trạm cơ sở chỉ được nối với mạng bằng một kênh giao tiếp vật lý duy nhất. Vì vậy dữ liệu từ trạm cơ sở này sẽ phải đi qua một hoặc nhiều router trước khi đến được trạm cơ sở khác. Thực tế, phụ phí sinh ra bởi chuyện này cũng nhỏ thôi, bởi vì lượng dữ liệu người dùng trên kênh giao tiếp R6 chắc chắn là cao hơn nhiều lần so với lượng dữ liệu trao đổi phục vụ cho một cuộc chuyển giao của một đường truyền trên kênh giao tiếp R8. 4.2.3. ASN-GW Trong các mạng WiMAX, thiết bị gateway giữa mạng vô tuyến và mạng lõi được gọi là ASN- GW (Access Service Network Gateway _ Cổng nối Mạng Dịch vụ Truy nhập). Về nguyên tắc, nó phụ trách những công việc giống như Access Gateway (AGW) trong LTE vậy. Những công việc đó là:  Quản lý thuê bao chẳng hạn như xác minh và quản lý thông tin thuê bao;  Quản lý tính di động để chuyển hướng đường truyền từ cell này sang cell khác khi người dùng di chuyển;  Yểm trợ tích cực cho thủ tục chuyển giao trong trường hợp thiếu mất kênh giao tiếp R8 giữa hai trạm cơ sở. 4.2.4. Xác minh và mã hóa Trong chuẩn WiMAX, các thiết bị người dùng được gọi là Customer Premises Equipment (CPE), một thuật ngữ được đưa ra trong chuẩn 802.16-2004, vốn chủ yếu chỉ các thiết bị cố định. Tuy nhiên thuật ngữ này vẫn đang được dùng với chuẩn 802.16-2005 và các thiết bị di động, bên cạnh các thuật ngữ Mobile Subscriber Station (MSS) và Mobile Station (MS). Khi một CPE được bật lên, công việc đầu tiên của nó là tìm kiếm các mạng khả dụng và lấy một địa chỉ IP từ mạng nhà của người dùng, hoặc, trong trường hợp roaming, từ một mạng thích hợp các. Trước khi một thiết bị được ASN-GW nhận vào mạng, cần có một thủ tục xác minh (authentication). Không giống như các mạng do 3GPP đề xuất (UMTS, HSPA và LTE), WiMAX không sử dụng một khóa bí mật lưu trên thẻ SIM và trong mạng. Thay vì vậy, việc xác minh được thực hiện bằng một cặp khóa công khai/riêng tư (public/private key) để bổ sung cho một chứng chỉ X.509. Về lý thuyết, các khóa này và chứng nhận đó có thể được lưu trữ trên một thẻ SIM. Nhưng trong thực tế thì các nhà cung cấp dịch vụ mạng không làm như thế. Thay vì vậy, các khóa và chứng chỉ đều được trữ ở một nơi an toàn trong chính CPE, nơi này không thể truy cập trực tiếp được nhằm ngăn không cho các ứng dụng đọc khóa riêng tư bí mật ấy. Ở đầu thủ tục xác minh, CPE và mạng trao đổi các khóa công khai của chúng với nhau, các mã này sau đó được sử dụng để chế ra những khóa tạm thời (temporary key) để mã hóa thêm dữ liệu lưu thông giữa CPE và mạng. Dữ liệu được mã hóa bằng một mã công khai tạm thời chỉ có thể được giải mã bằng khóa riêng tư tạm thời tương ứng, vốn được chế ra từ khóa riêng tư bí mật. Bởi vì các khóa riêng tư không bao giờ được truyền qua giao tiếp vô tuyến, nó đảm bảo rằng những kẻ tấn công mạng không thể mã hóa hoặc sửa đổi dữ liệu. Một lợi ích khác của việc có các khóa công khai và riêng tư là, khóa riêng tư của thuê bao chỉ được trữ trong CPE của khách hàng chứ không phải trên mạng, bởi vì mạng chỉ yêu cầu khóa công khai để mã hóa dữ liệu thôi. Hệ quả là không có thông tin thiết yếu nhạy cảm nào phải được lưu trữ trên bất kỳ thiết bị nào của mạng của nhà cung cấp dịch vụ. Các công nghệ di động Sau 3G 75 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 Ngoài việc trao đổi khóa công khai, WiMAX có một cơ chế bổ sung để bảo đảm rằng khóa công khai được một CPE gửi đi phải được liên kết chẽ với địa chỉ lớp MAC trong phần cứng của CPE ấy. Điều này được thực hiện bằng cách qui định rằng, ngoài khóa công khai ra CPE phải gửi kèm một chứng chỉ (certificate) do một cơ quan ban hành chứng chỉ (certificate authority _ CA) ký, như được minh họa trong Hình 4.2. CA ấy “ký” vào chứng chỉ này bằng cách mã hóa khóa công khai và địa chỉ MAC của CPE bằng khóa riêng tư của họ. Khi CPE gửi khóa công khai của nó kèm theo chứng chỉ này, mạng sẽ giải mã chứng chỉ này bằng khóa công khai của CA ấy. Sau đó, nó kiểm tra xem khóa công khai của CPE có khớp với khóa được giải mã từ chứng chỉ này hay không. Hơn nữa, nó còn thẩm tra xem địa chỉ MAC trong mỗi gói dữ liệu gửi đi có khớp với địa chỉ giải mã được từ chứng chỉ này hay không. Nếu chúng khớp, CPE ấy được xác minh là đúng. Kẻ gian không thể lục lọi trong chứng chỉ này được, bởi vì nó chỉ có thể được giải mã bởi người (hay thiết bị) nào biết khóa công khai của CA kia thôi. Và chứng chỉ này cũng không thể bị thay đổi và mã hóa lại được. Chứng chỉ này cũng không cho phép kẻ gian tấn công bằng cách làm nhái khóa công khai của CPE, bởi vì khóa ấy được dùng kết hợp với một địa chỉ MAC được lưu một cách an toàn (ghi chết luôn) trong CPE. Vì thế, không thể làm nhái nó cùng với địa chỉ MAC kia được. Hình 4.2: Qui trình xác minh của WiMAX với sự trợ giúp của một CA. Cần lưu ý rằng, các chứng chỉ và các cặp khóa công khai/riêng tư cũng được dùng để xác minh và mã hóa những phiên truy cập Web an toàn, ví dụ như mua hàng trực tuyến hoặc giao dịch ngân hàng qua Web chẳng hạn. Ở đây, một phiên HTTPS (Secure HTTP) được thiết lập thay vì một phiên HTTP thông thường, và quá trình xác minh và mã hóa cũng rất tương tự với quá trình đã mô tả ở trên. Khi đường liên lạc với khách hàng được thiết lập, Web server gửi một chứng chỉ được ký bởi một CA đến trình duyệt Web của khách hàng. Chứng chỉ đó chứa địa chỉ (URL) của Web site và khóa công khai của server. Trình duyệt Web của máy khách so sánh URL mà người dùng vừa gõ vào với URL trong chứng chỉ. Nếu chúng khớp nhau, trình duyệt Web ấy có thể chắc chắn rằng đường liên lạc đó đã không bị chuyển hướng bởi một kẻ tấn công mạng nào đó. Đối với kẻ tấn công mạng thì khóa công khai của server trong chứng chỉ ấy vô giá trị, bởi vì chúng không có khóa riêng tư của máy khách để giải mã thông tin trong đó, vốn được mã hóa bằng khóa công khai của máy khách. Các công nghệ di động Sau 3G 76 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 Cả hai quá trình xác minh của WiMAX và của HTTPS đều đòi hỏi những chứng chỉ được tạo ra bởi một CA đáng tin. Sự tin tưởng ấy được thiết lập bằng cách lưu trữ khóa công khai của CA đó trên máy tại chỗ. Trong trường hợp WiMAX, khóa công khai của CA đó được lưu trong chính CPE. Còn trong trường hợp HTTPS, khóa công khai của CA đó được lưu trong trình duyệt Web. Trong thực tế, có nhiều CA khác nhau có thể ban hành các chứng chỉ như vậy. Ví dụ: Verisign là công ty ban hành các chứng chỉ cả HTTPS lẫn WiMAX. 4.2.5. Cấp phát địa chỉ IP cho máy khách và các kênh R6 Sau khi một CPE được xác minh và chế độ mã hóa giao tiếp vô tuyến đã được kích hoạt, ASN-GW cũng phụ trách luôn việc cấp phát một địa chỉ IP cho CPE, hoặc yêu cầu cấp phát nó từ một Home Agent (HA) trong mạng lõi, như sẽ bàn trong mục 4.2.7 bên dưới. Bởi vì mạng giao tiếp giữa các trạm cơ sở và các ASN-GW không nhất thiết là thuộc quyền sở hữu của nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX, nên những dữ liệu lưu thông trên kênh giao tiếp R6 giữa các ASN-GW và các trạm cơ sở cần phải được mã hóa. Vì mục đích này, giữa mỗi trạm cơ sở và ASN-GW có thể có một đường hầm IPSec (IPSec tunnel) mã hóa được thiết lập. Như vậy dữ liệu của người dùng không chỉ được bảo vệ trên giao tiếp vô tuyến, mà còn trên suốt mạng vô tuyến lên đến ASN-GW nữa. 4.2.6. Quản lý tính di động ở tầm vi mô Khi một thuê bao di chuyển từ vùng phủ sóng của trạm cơ sở này sang trạm cơ sở khác, chính trạm cơ sở chịu trách nhiệm chuyển giao đường truyền cho họ. Cả mạng và CPE của thuê bao đều đề xướng một cuộc chuyển giao. Trong mạng vô tuyến, điều này có nghĩa là trạm cơ sở hiện thời và trạm cơ sở mới liên lạc với nhau qua kênh giao tiếp R8 hoặc thông qua ASN-GW trong suốt cuộc chuyển giao. Một phần trong quá trình chuyển giao là phải thông báo luôn cho ASN- GW rằng thuê bao đã thay đổi vị trí, bởi vì giờ đây các gói dữ liệu người dùng phải được trao đổi qua một đường hầm IPSec khác. Hình 4.3 cho thấy một ví dụ về việc này trong thực tế. Trong ví dụ đó, các trạm cơ sở và các ASN-GW trong mạng vô tuyến dùng mạng con IP 10.x.x.x. Một đường hầm được thiết lập từ trạm cơ sở ở phần bên trên của hình, có (được cấp phát) địa chỉ IP là 10.0.0.2, với máy ASN-GW có địa chỉ IP là 10.0.0.1. Một đường hầm khác được thiết lập từ ASN-GW đến trạm cơ sở ở phần bên dưới của hình (với địa chỉ IP là 10.0.0.3). Trước cuộc chuyển giao, dữ liệu từ CPE của người dùng (có địa chỉ IP là 195.36.219.196), được gửi xuyên qua đường hầm giữa máy 10.0.0.1 (ASN-GW) và trạm cơ sở bên trên (10.0.0.2). Sau khi cuộc chuyển giao thực hiện xong, ASN-GW chuyển hướng dòng dữ liệu sang đường hầm nối giữa nó (10.0.0.1) và trạm cơ sở bên dưới (10.0.0.3) (xem Hình 4.4). Hình 4.3: Đường hầm dữ liệu trong quản lý tính di động vi mô. Các công nghệ di động Sau 3G 77 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 Hình 4.4: Đường hầm dữ liệu người dùng vi mô sau khi chuyển giao sang cell khác. 4.2.7. Quản lý tính di động ở tầm vĩ mô Giống như trong các mạng UMTS và LTE lớn, đến một lúc nào đó, nhà cung cấp dịch vụ mạng phải lắp đặt thêm ASN-GW WiMAX trong mạng để hậu thuẫn lượng trạm cơ sở và người dùng ngày càng tăng. Sau khi có vài ASN-GW trong mạng, có thể sẽ có người dùng di chuyển giữa các cell được kiểm soát bởi các ASN-GW khác nhau. Điều này có nghĩa là các gói dữ liệu từ Internet gửi đến người dùng đó không còn mặc định được mạng gửi chuyển tiếp đến một ASN-GW duy nhất nữa, mà cần phải thực hiện quản lý tính di động ngay trong mạng lõi luôn. Trong UMTS và LTE, giao thức GPRS Tunneling Protocol (GTP) đảm trách công việc gửi chuyển tiếp giữa nút cửa ngõ từ Internet vào mạng lõi (GGSN trong trường hợp UMTS, và PDN- GW trong trường hợp LTE) và nút cửa ngõ từ mạng lõi vào mạng truy cập vô tuyến (SGSN trong trường hợp UMTS, và bộ đôi MME và Serving-GW trong trường hợp LTE. Trong WiMAX, người ta đã quyết định dùng một giải pháp khác, như được minh họa trong Hình 4.5. Thay vì trông cậy vào một giao thức độc quyền như GTP chẳng hạn, người ta đã quyết định dùng giao thức Proxy Mobile IP (Proxy MIP), một chuẩn quản lý tính di động dựa trên IP có sẵn. Về nguyên lý, Proxy MIP làm việc như sau: khi một CPE yêu cầu một phiên nối kết IPv4 vào mạng, máy ASN-GW sẽ đóng vai trò một proxy server và là đầu cuối của đường truyền MIP thay cho CPE (cho nên còn được gọi là proxy-MIP). (Điều này cho phép các CPE không có khả năng MIP vẫn dùng một chồng giao thức IPv4 bình thường). Trong quá trình thiết lập đường truyền, ASN-GW đăng ký với bộ phận Home Agent (HA) MIP trong mạng lõi rồi gửi địa chỉ IP của chính nó cho HA ấy. Địa chỉ IP này còn được gọi là địa chỉ đại diện (care-of address _ COA) của người dùng (hoặc địa chỉ IP di động _ Mobile IP address), bởi vì nó có thể thay đổi bất kỳ lúc nào trong suốt thời gian đường kết nối đó tồn tại. Bộ phận HA phụ trách một quỹ các địa chỉ IP. HA lấy một địa chỉ IP từ quỹ này để cấp cho người dùng, và gửi nó về lại ASN-GW. Đến lượt nó, ASN-GW gửi chuyển tiếp địa chỉ IP này cho CPE thông qua đường hầm quản lý tính di động vi mô như đã mô tả trong mục trước, và thế là CPE này dùng địa chỉ đó cho tất cả các gói dữ liệu gửi tới và gửi đi. Địa chỉ mà HA cấp cho CPE của người dùng (thông qua ASN- GW) này thuộc trách nhiệm quản lý của HA, cho nên tất cả các gói dữ liệu dùng địa chỉ này làm địa chỉ đích sẽ phải được gửi đến HA trước. Ở đó, các gói ấy được gửi chuyển tiếp bên trong một đường hầm MIP đến địa chỉ COA, tức máy ASN-GW. Máy ASN-GW này là nút cuối đường hầm MIP đó, nên sẽ chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp các gói IP đó qua các đường hầm quản lý tính di động vi mô. Mọi thay đổi trong COA, tức thay đổi sang một ASN-GW khác, đều vô hình Các công nghệ di động Sau 3G 78 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 đối với các máy và router ngoài Internet. Đối với chúng, HA vẫn là đích của các gói mà chúng gửi cho người dùng. Hình 4.5: Quản lý tính di động tầm vĩ mô bằng cách dùng địa chỉ Mobile IP ở ASN-GW. Đối với các CPE sử dụng IPv4, ASN-GW chịu trách nhiệm kết thúc đường hầm MIP để làm cho quá trình này vô hình đối với CPE của thuê bao. Cần phải như vậy, bởi vì người ta không muốn thay đổi chồng giao thức của CPE làm gì. Hệ quả là, ASN-GW trở thành một proxy server đối với CPE của thuê bao, đó là lý do giải pháp này được gọi là Proxy MIP. Đối với các CPE chỉ dùng địa chỉ IPv6, vốn được trông đợi sẽ trở nên phổ biến trong tương lai, thì không cần proxy server, bởi vì MIP đã là một phần trong chồng giao thức ấy rồi. Thế có nghĩa là CPE ấy tự liên lạc với HA trong mạng lõi thay vì phó thác trách nhiệm đó cho ASN- GW. 4.3. Giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của WiMAX cố định 802.16d Giống như LTE, WiMAX sử dụng phương thức OFDM để truyền dữ liệu qua giao tiếp vô tuyến. Vì thế các hệ thống này rất giống nhau ở tầng Physical, và mục này coi như người đọc đã nắm rõ giao tiếp vô tuyến của LTE như đã mô tả trong mục 3.3. Phiên bản giao tiếp vô tuyến đầu tiên được triển khai rộng rãi của chuẩn 802.16, gọi là 802.16d hay IEEE 802.16-2004, hiện đang được dùng để nối kết các thiết bị như máy tính xách tay và PC chẳng hạn với Internet thông qua các modem WiMAX lắp đặt tại nhà riêng hoặc văn phòng (nên còn được gọi là WiMAX cố định). Nó không tương thích với chuẩn 802.16e (hay 802.16-2005) hiện tại, vốn được xây dựng sau đó và đưa ra nhiều cải tiến cần thiết cho tính di động (nên còn được gọi là WiMAX di động). Vì thế, tuổi thọ và các kịch bản sử dụng mạng WiMAX cố định bị hạn chế, bởi vì không chắc là các CPE và thiết bị mạng có thể nâng cấp được lên chuẩn WiMAX đi động. Ngoài ra, các mạng WiMAX cố định thường không dùng tất cả những thành phần trong hạ tầng cơ sở đã chuẩn hóa như mô tả ở trên, bởi vì kiến trúc mạng của chúng đơn giản hơn nhiều, và cũng vì chúng không cần hậu thuẫn tính di động. Tuy vậy, mục Các công nghệ di động Sau 3G 79 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 này vẫn khảo sát giao tiếp vô tuyến của WiMAX cố định, bởi vì nó đã được sử dụng ở một mức độ nào đó trong thực tế và hình thành nền tảng cho WiMAX di động (sẽ được bàn trong mục 4.4). Khác biệt lớn của IEEE 802.16-d so với WiMAX di động (IEEE 802.16-e) và LTE là, nó sử dụng 256 kênh con OFDM độc lập với độ rộng dải tần tổng thể của kênh. Trong số đó, 193 kênh con được dùng để truyền dữ liệu người dùng. Các kênh con còn lại hoặc không được dùng bởi vì nằm ở biên của băng, hoặc cung cấp các tín hiệu dẫn hướng (pilot), vốn được các CPE dùng để đánh giá kênh và xấp xỉ tín hiệu và lọc. Các độ rộng dải tần được qui định là 1.25, 3, 3.5, 5.5, 7 và 10 MHz. Tuy nhiên dải tần càng nhỏ thì càng ít có khả năng được dùng trong thực tế, bởi vì thông suất có được không đủ để hậu thuẫn truy cập Internet tốc độ cao ngay cả cho một lượng người dùng nhỏ thôi. Dùng một lượng kênh con giống nhau cho mọi độ rộng dải tần có nghĩa là thời gian truyền các symbol thay đổi theo độ rộng dải tần. Ví dụ, đối với độ rộng dải tần 1.25 MHz, thời gian truyền symbol là 128 µs, trong khi nếu dùng độ rộng dải tần 10 MHz thì thời gian truyền symbol chỉ có 22.408 µs. Vì vậy, các đặc tính truyền trên tầng Physical tùy thuộc vào độ rộng dải tần được dùng cho kênh. WiMAX Forum qui định hai cấu hình truyền (profile) cho WiMAX cố định. Cấu hình wirelessMAN-OFDM (wireless Metropolitan Area Network OFDM) được sử dụng khi một cơ quan điều phối quốc gia đã chính thức cấp phát một băng tần để sử dụng WiMAX, sau một cuộc đấu thầu phổ chẳng hạn. Dựa trên các đặc tính của băng tần được cấp, các thiết bị WiMAX cố định sẽ được sử dụng theo chế độ TDD (Time Division Duplexing _ Ghép kênh Phân Thời) hoặc FDD (Frequency Division Duplexing _ Ghép kênh Phân Tần). Ở chế độ TDD, băng đó được dùng chung cho cả truyền hướng lên lẫn truyền hướng xuống, và hệ thống liên tục chuyển qua chuyển lại giữa phát sóng và thu sóng. Ưu điểm của giải pháp này là, hệ thống có thể được điều chỉnh để phản ảnh tỷ lệ lưu tải giữa hướng lên và hướng xuống. Hiện nay, hướng xuống cần nhiều thông lượng hơn, đó là lý do nhiều thời gian được cấp phát cho truyền hướng xuống hơn là truyền hướng lên. Tuy nhiên, đến đây cần phải lưu ý rằng một tỷ lệ hướng xuống/hướng lên 3:1 trên giao tiếp vô tuyến không phản ảnh chính xác tỷ lệ thông lượng giữa hai hướng truyền, bởi vì truyền hướng lên thường không hiệu quả do hạn chế ở công suất phát và những hạn chế về ăng-ten trên một thiết bị nhỏ. Hơn nữa, TDD đòi hỏi các trạm cơ sở phải được đồng bộ hóa chặt chẽ với nhau để ngăn các cuộc truyền hướng lên của thiết bị trong một cell can nhiễu với các cuộc truyền hướng xuống trong cell kế cận. Ở chế độ FDD, truyền hướng lên và truyền hướng xuống dùng những băng tần khác nhau. Đối với những băng tần được cấp phép, đây thường là chế độ truyền được các nhà cung cấp dịch vụ mạng ưa thích. Ưu điểm của FDD là dữ liệu có thể được truyền hướng lên và hướng xuống song song nhau. Hơn nữa, không cần sự tạm dừng truyền nào để thiết bị có thời gian chuyển từ chế độ phát sóng sang chế độ thu sóng. Ngoài ra, truyền FDD cho phép có những bộ thu sóng nhạy cảm hơn trong các thiết bị di động, điều này có lợi cho tốc độ truyền dữ liệu tổng thể. Hình 4.6 cho thấy một cuộc truyền dữ liệu hướng xuống TDD trông như thế nào trong chuẩn WiMAX cố định. Các cuộc truyền hướng xuống được phân chia vào từng khung (frame) riêng, với độ dài cố định là từ 2.5 đến 20 ms. Đến lượt nó, mỗi khung chứa một số trường liên tiếp nhau. Trường đầu là Preamble, vốn có một mẫu hình bit đã biết mà các CPE có thể dùng để nhận biết đâu là chỗ bắt đầu của một khung. Trường FCH (Frame Control Header) kế đó chứa thông tin về phương thức điều chế và mã hóa của đoạn dữ liệu hướng xuống đầu tiên (DL-Burst 1) ngay sau nó. Phương thức điều chế BPSK và tỷ lệ mã hóa 1/2 được dùng cho FCH để bảo đảm là tất cả các thiết bị đều có thể nhận thông tin đúng đắn. Đoạn DL-Burst 1 của một khung chứa dữ liệu quảng bá hướng xuống lúc đầu nhằm thông báo cho các thiết bị là có khung dữ liệu nào được truyền cho chúng hay không, và truyền vào lúc nào. Hơn nữa, vùng Broadcast bên trong nó còn chứa Các công nghệ di động Sau 3G 80 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 thông tin cần thiết cho các thiết bị khi chúng được phép gửi dữ liệu hướng lên. Tiếp đến, phần còn lại của DL-Burst đầu tiên của mỗi khung chứa các gói dữ liệu người dùng dành cho một hoặc nhiều thiết bị. Một khung thường chứa nhiều đoạn DL-Burst, và mỗi đoạn đó dùng một phương thức điều chế và mã hóa khác nhau. Vì thế vị trí của dữ liệu dành cho một thiết bị nào đó tùy thuộc vào điều kiện vô tuyến mà nó đang gặp phải (điều kiện càng tốt thì phương thức điều chế và mã hóa cấp càng cao hơn sẽ được dùng). Hình 4.6 cũng cho thấy rằng, mỗi lúc dữ liệu chỉ được gửi đến một thiết bị thôi. Thế có nghĩa là các thuê bao chỉ được ghép kênh trong miền thời gian chứ không phải trong miền tần số. Hình 4.6: Truyền dữ liệu hướng xuống TDD trong WiMAX cố định. Bởi vì giao tiếp vô tuyến của IEEE 802.16-2004 được thiết kế để dùng cố định, nên các thiết bị người dùng không cần báo cáo điều kiện tín hiệu thường xuyên như cần thiết trong các hệ thống có hậu thuẫn tính di động. Thay vì vậy, thiết bị chỉ đánh giá điều kiện vô tuyến và gửi một thông điệp quản lý dành riêng về mạng để thay đổi phương thức điều chế và mã hóa cho hướng lên và hướng xuống khi cần thiết thôi. Tương tự như vậy, việc phát hiện lỗi và sửa lỗi trên tầng MAC cũng không bắt buộc phải có. Nếu một cơ chế sửa lỗi ARQ (Automatic Retransmission Request) cơ bản được dùng cho một đường truyền, nó sẽ phân các gói ra thành các khối ARQ, rồi mỗi phía báo cho phía kia biết mình vừa nhận được đúng đắn những khối nào. Sau đó những khối nào không được nhận đúng sẽ được truyền lại. Cơ chế này cũng tương tự như cơ chế được dùng cho giao thức TCP (Transmission Control Protocol) ở bên trên tầng IP vậy. 4.4. Giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của WiMAX di động Bởi vì các ứng dụng không dây cố định chỉ giải quyết một lượng khách hàng ít ỏi thôi, nên IEEE đã sớm quyết định là sau khi kết thúc chuẩn giao tiếp vô tuyến cố định, cần đi tiếp một bước nữa và tăng cường giao tiếp vô tuyến bằng những chức năng bổ sung dành cho tính di động và các thiết bị có công suất hạn chế. Để hậu thuẫn tính di động, bộ phận quản lý giao tiếp vô tuyến phải phản ứng nhanh chóng để thay đổi điều kiện tín hiệu, và phải có khả năng chuyển giao một đường truyền giữa các trạm cơ khi người dùng đó di chuyển. Đối với các thiết bị có nguồn pin hạn hẹp, giao tiếp vô tuyến phải được tối ưu hóa để càng hiệu quả về mặt năng lượng càng tốt trong những lúc không có dữ liệu nào được truyền trên giao tiếp vô tuyến. Ngoài ra, giao tiếp vô tuyến của WiMAX đã được nâng cao để cho phép những tốc độ truyền cao hơn. Tổ Các công nghệ di động Sau 3G 81 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 công tác chịu trách nhiệm xây dựng phiên bản mới này được gọi là 802.16e. Sau khi chuẩn được hoàn tất, nó lại mang tên là IEEE 802.16-2005. Chuẩn WiMAX di động này chấp nhận các phương thức ghép kênh FDD và TDD, mặc dù những mạng được triển khai lúc đầu sẽ chỉ sử dụng phương án TDD thôi. 4.4.1. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Trên tầng Physical, sự khác biệt chính của WiMAX di động so với WiMAX cố định là, độ rộng các kênh con được ấn định không đổi, cho nên số lượng kênh con giờ đây thay đổi theo độ rộng dải tần, như được minh họa trong Bảng 4.1. Theo một vài tài liệu, độ rộng dải tần kênh tối đa mà các chip Intel WiMAX cho máy tính xách tay đầu tiên hậu thuẫn là 10 MHz. Trong tương lai, những dải thông lớn hơn cũng sắp được hậu thuẫn. Bảng 4.1: Độ rộng dải tần và số lượng kênh truyền con OFDMA của WiMAX di động. Độ rộng dải tần Số lượng kênh truyền con Kích cỡ FFT 1.25 MHz 5 MHz 10 MHz 20 MHz 85 421 841 1684 128 512 1024 2048 Ngoài các thông số được trình bày trong Bảng 4.1, các thông số vật lý sau đây cũng được chọn:  Khoảng cách giữa các kênh con (subcarrier spacing): 10.94 kHz;  Thời gian tồn tại ký hiệu OFDM: 91.4 µs;  Tiền tố chu kỳ (cyclic prefix): 11.4 µs. Đáng chú ý là, những giá trị này tương tự nhưng không giống hệt các giá trị được dùng trong LTE. Trong LTE, subcarrier spacing là 15 kHz, và thời gian tồn tại ký hiệu OFDM chỉ là 66.667 µs (xem lại mục 3.3.3 và Bảng 3.1). Dựa trên những thông số tầng vô tuyến này, thông suất của tầng Physical của một cell WiMAX có thể được tính như sau: Thời gian truyền mỗi ký hiệu là 102.8 µs (91.4 µs cho bản thân ký hiệu + 11.4 µs cho tiền tố chu kỳ), cấp điều chế là 64-QAM tức mỗi ký hiệu có 6 bit, và có 1684 kênh con ở một dải tần 20 MHz: Tốc độ vật lý = (1/0.0001028) * 6 * 1684 = 98287937 bit/s (tức vào khoảng 100 Mbit/s) Tốc độ này hầu như giống hoàn toàn với giá trị tính được cho LTE ở Chương 3, và cho thấy rằng xét về khía cạnh tốc độ thì hai hệ thống có hiệu năng tương đương nhau. Như đã đề cập trong Chương 3, cần lưu ý rằng trong thực tế, thông suất của một cell WiMAX nhiều khả năng chỉ chừng 30% đến 50% giá trị này. Đó là vì phụ phí cho mã hóa, việc truyền lại các gói bị lỗi, các tín hiệu dẫn hướng, và phụ phí của các tầng giao thức cao hơn, và cũng vì điều kiện tín hiệu cho hầu hết người dùng trong cell thấp hơn lý tưởng. Hình 4.7 cho thấy cấu trúc của khung dữ liệu OFDMA hướng xuống. Sự khác biệt chính so với khung được dùng cho giao tiếp vô tuyến của WiMAX cố định là, những cuộc truyền dữ liệu cho từng người dùng giờ đây cũng có thể được ghép lại theo cả thời gian và tần số, nhờ số lượng kênh con khả dụng cao hơn nhiều. Vì lý do này, phương thức truyền dữ liệu này không được gọi là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) mà là OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Ở đầu mỗi khung, trường DL-MAP (Downlink-MAP) thông báo cho CPE biết dữ liệu được sắp đặt truyền cho chúng khi nào và ở đâu trong khung. Một trường UL- Các công nghệ di động Sau 3G 82 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 MAP (Uplink-MAP) tùy chọn cũng có thể hiện diện trong khung để chỉ định các dịp truyền hướng lên cho khung này và các khung theo sau. Hình 4.7: Một khung dữ liệu OFDMA trong WiMAX. 4.4.2. Truyền MIMO trong WiMAX WiMAX cũng hậu thuẫn truyền MIMO ở hướng xuống bằng nhiều ăng-ten (ví dụ như hai ăng-ten nhập, hai ăng-ten xuất = 2x2) theo cách giống như đã mô tả ở Chương 3 vậy. Ở hướng lên, các CPE chỉ truyền đi một dòng dữ liệu duy nhất. Nhưng các trạm cơ sở tiên tiến thì có thể kích hoạt chế độ truyền MIMO cộng tác (collaborative MIMO) và ra lệnh cho hai thiết bị truyền cùng một lúc. Trạm cơ sở nhận diện là tín hiệu nào được truyền tới từ thiết bị nào nhờ các đặc tính đa đường truyền riêng của chúng, và căn cứ theo đó mà tách các tín hiệu ra. Tùy thuộc điều kiện truyền, có thể dùng một trong hai chế độ truyền MIMO sau đây:  Ma trận A: Tăng độ bao phủ. Trong một cấu hình ăng-ten 2x2 (hai ăng-ten phát, hai ăng- ten thu), một dòng dữ liệu duy nhất được truyền song song bởi hai ăng-ten riêng biệt. Một giải thuật toán học gọi là STBC (Space Time Block Codes _ Mã Khối Thời gian và Không gian) được sử dụng để mã hóa các dòng dữ liệu của hai ăng-ten đó, nhằm làm cho chúng trực giao với nhau. Điều này cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) ở thiết bị thu, nhờ vậy người ta có thể:  Tăng bán kính cell;  Cung cấp thông suất tốt hơn cho các thuê bao nào khó tiếp cận (ví dụ như ở các điều kiện trong nhà khó khăn, hoặc đang di chuyển với tốc độ cao);  Truyền bằng phương thức điều chế cấp cao hơn (ví dụ như 64-QAM) trong khi sử dụng ít bit sửa lỗi hơn; điều này đến lượt nó lại làm tăng tốc độ truyền tới thuê bao.  Matrix B: Tăng dung lượng. Trong chế độ truyền MIMO này, còn được gọi là SM-MIMO (Spatial Multiplexing MIMO), mỗi ăng-ten gửi đi một dòng dữ liệu hoàn toàn độc lập, như đã mô tả trong các mục bên trên. Như vậy, tốc độ truyền có thể được tăng gấp đôi, miễn là CPE của thuê bao ở gần trạm cơ sở và có điều kiện nhận sóng tuyệt hảo. 4.4.3. Các hệ thống ăng-ten thích nghi (AAS) Một tính năng khác có trong tài liệu chuẩn 802.16e nhưng không được dùng trong các mạng WiMAX đã được triển khai là AAS (Adaptive Antenna System). Bằng cách dùng vài ăng-ten và nối kết chúng với nhau về mặt điện, người ta có thể tạo ra một búi sóng hướng về phía một CPE nào đó, vì vậy làm tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu mà CPE đó được nhận. Để tạo hình một búi sóng như vậy, tín hiệu được gửi qua mỗi ăng-ten với một độ lệch pha và biên độ được tính toán sẵn có liên quan với những ăng-ten khác. Không cần có bộ phận chuyển động nào để hướng búi sóng theo một hướng nhất định cả, bởi vì hiệu ứng định hướng búi sóng (beam-forming) là dựa trên Các công nghệ di động Sau 3G 83 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 những khác biệt về pha và biên độ của các tín hiệu. Beamforming có thể được áp dụng cho cả hướng lên và hướng xuống. Đối với hướng lên, beamforming giúp cải thiện mức độ nhận sóng của tín hiệu gửi từ một CPE đến trạm cơ sở, còn ở hướng xuống thì beamforming làm hạ thấp sự can nhiễu vào những CPE khác đang nhận một cuộc truyền từ một cell kế cận trên cùng tần số. 4.4.4. Các thủ tục chuyển giao Trong 802.16e, cả MS lẫn mạng đều có thể khởi xướng một thủ tục chuyển giao. Điều này khác với UMTS và LTE, trong đó việc chuyển giao một đường truyền luôn được khởi xướng bởi mạng. Trong đặc tả IEEE, một cuộc chuyển giao đôi khi còn được gọi là một sự chọn lại cell (cell reselection). Thuật ngữ này có phần không thích hợp, bởi vì trong những hệ thống khác thì cell reselection là quá trình chuyển sang một cell khác trong khi không có đường truyền nào được thiết lập với mạng cả. Để thực hiện việc chuyển giao sang một cell mới, một CPE phải tìm kiếm các cell kế cận khi điều kiện tín hiệu trở nên xấu đi. Trong quá trình này, CPE sẽ không thể nhận dữ liệu từ cell hiện tại. Vì vậy, CPE và trạm cơ sở phải đồng ý với nhau khi nào thì có thể thực hiện những cuộc tìm kiếm như vậy, và trạm cơ sở sẽ đệm trữ tất cả những gói dữ liệu gửi tới CPE cho tới khi CPE quay trở lại và tiếp tục nhận dữ liệu gửi đến nó. Khi CPE phát hiện được những cell kế cận, nó báo cáo điều kiện tiếp nhận sóng từ các cell này về cho mạng thông qua trạm cơ sở đang phục vụ nó. Sau đó, cả mạng lẫn CPE đều có thể khởi xướng một thủ tục chuyển giao, nếu thấy cần thiết. Một mặt CPE có thể khởi phát cuộc chuyển giao nếu nó cảm thấy rằng nó sẽ được phục vụ tốt hơn từ một cell kế cận. Mặc khác mạng cũng có thể khởi xướng một cuộc chuyển giao cũng vì lý do đó hoặc vì mục đích cân bằng tải nếu nó thấy rằng CPE có thể nhận sóng từ một cell kế cận với ít lưu tải hơn cũng tốt không kém nhận sóng từ cell hiện tại. Ở dạng chuyển giao đơn giản nhất, mạng hoặc CPE khởi xướng một cuộc chuyển giao, điều này gây nên một sự gián đoạn dịch vụ ngắn trong khi CPE nối kết với cell mới. Nếu nó đã đồng bộ hóa sẵn rồi, sự gián đoạn đó sẽ ngắn hơn nếu CPE trước đó đã cộng tác với cell và cell mới yêu cầu CPE cung cấp những thông số đường truyền hiện tại của thuê bao với cell hiện tại. Đối với những dịch vụ thời gian thực như VoIP chẳng hạn, những sự gián đoạn là không mong muốn, và hai thủ tục chuyển giao khác đã được chuẩn hóa để cải thiện cung cách chuyển giao: FBBS và MDHO. Trong thủ tục chuyển giao FBBS (Fast Base Station Switching) thì, giống như trong cách chuyển giao cơ bản ở trên, trạm cơ sở yêu cầu CPE phải thường xuyên rà soát xem có thể dùng dịch vụ của các cell kế cận hay không. Sau đó những thông tin này được báo cáo về trạm cơ sở đang phục vụ CPE ấy. Nếu điều kiện tín hiệu đủ mạnh, trạm cơ sở đang phục vụ sẽ liên hệ với các trạm cơ sở kế cận thông qua kênh truyền backhaul và yêu cầu chúng thiết lập một tình huống phục vụ (context) cho thuê bao này. Nếu các trạm cơ sở đó đồng ý, CPE sẽ được thông báo rằng nó có thể chọn lựa là muốn nhận các gói dữ liệu hướng xuống của mình từ trạm cơ sở nào. Các trạm cơ sở đó được lưu trữ trong một danh sách phân tập (diversity list, tức một nhóm tích cực _ active set) trong CPE đó. Do đó CPE có thể gửi một lệnh ngắn để yêu cầu mạng chuyển sang cell nào thích hợp cho truyền hướng xuống. Bằng cách này, CPE có thể nhanh chóng phản ứng đối với sự thay đổi điều kiện truyền. Ở hướng lên, tất cả các trạm cơ sở tham gia vào active set đều nhận dòng dữ liệu từ CPE rồi gửi chuyển tiếp những gói đã nhận được đúng đắn đến ASN-GW. Điều này làm tăng khả năng mạng nhận được ít nhất một bản sao của mỗi gói dữ liệu gửi từ CPE, nhưng có nhược điểm là làm tăng yêu cầu về thông lượng trên các đường backhaul. MDHO (Macro Diversity Handover) là hình thức chuyển giao còn trơn tru hơn nữa. Ở đây, tất cả các trạm cơ sở trong active set truyền đi các khung dữ liệu hướng xuống tới CPE của thuê bao. Sau đó CPE có thể kết hợp các tín hiệu nhận được, và vì vậy có nhiều cơ hội hơn nhận được thành công các gói dữ liệu bất kỳ. Giải pháp này rất giống với chuyển giao mềm đã được thực Các công nghệ di động Sau 3G 84 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 hiện trong UMTS nhưng lại bị HSPA và LTE bỏ rơi bởi vì người ta cho rằng quá tốn kém về mặt yêu cầu dung lượng trên giao tiếp vô tuyến và đường truyền backhaul. Cả FBBS và MDHO đều đòi hỏi rằng tất cả các cell tham gia vào thủ tục chuyển giao phải dùng cùng một tần số, bởi vì CPE chỉ có một bộ thu phát sóng, và vì vậy, chỉ có thể thu và phát sóng trên một tần số duy nhất. 4.4.5. Chế độ tiết kiệm điện năng và chế độ ngủ Để tối thiểu hóa yêu cầu về điện năng của các CPE hoạt động bằng pin, WiMAX di động đưa ra một số chế độ tiết kiệm điện năng, vốn được gọi trong các tài liệu chuẩn là các kiểu tiết kiệm điện năng (power-saving class). Với power-saving class 1, CPE và mạng thỏa thuận với nhau về một mẫu hình hoạt động trong đó CPE thỉnh thoảng mới thức dậy lắng nghe đường truyền hướng xuống, rồi sau đó lại đi vào chế độ ngủ (sleep mode) trong một quãng thời gian, trong thời gian đó mạng không tiếp cận nó được. Sau một lúc lâu, các quãng thời gian ngủ này tự động kéo dài thêm, bởi vì ngày càng ít khả năng là có dữ liệu gửi đến CPE. Nếu có dữ liệu được gửi đến trong khi CPE đang trong trạng thái ngủ, chúng sẽ được trạm cơ sở lưu trữ tạm rồi sau đó gửi đến CPE ngay khi nó kích hoạt lại bộ thu phát sóng của nó. Việc gửi dữ liệu này cũng tự động kết thúc luôn chế độ tiết kiệm điện năng của CPE. CPE cũng rời khỏi chế độ tiết kiệm điện năng khi nó quyết định gửi dữ liệu lên đường truyền hướng lên. Tuy chế độ tiết kiệm điện năng thích hợp cho kiểu truyền dữ liệu no dồn đói góp (bursty) của các ứng dụng như duyệt Web chẳng hạn, nhưng nó kém thích hợp đối với các cuộc truyền VoIP, vốn cũng có những quãng thời gian không tích cực dài nhưng không tiên đoán được giữa hai nhóm gói liên tiếp. Ở đó, sẽ không có ích gì nếu cứ vào chế độ tiết kiệm điện năng một lát rồi ra khỏi đó mỗi khi phải gửi hoặc nhận một gói dữ liệu nào đó. Vì vậy, power-saving class 2 qui định việc truyền dữ liệu chỉ được thực hiện trong những quãng thời gian nhất định cách đều nhau. Ngoài những quãng thời gian này, CPE có thể tắt đi bộ thu phát sóng của nó. Trong thực tế, kiểu hoạt động này làm hạn chế thông lượng khả dụng cho thiết bị, điều hoàn toàn chấp nhận được đối với các ứng dụng VoIP vốn dù sao cũng đòi hỏi ít thông lượng thôi. Cuối cùng, với power-saving class 3, mạng và CPE có thể thỏa thuận với nhau về một quãng thời gian ngủ duy nhất nào đó, sau đó đường truyền sẽ tự động tích cực lại. Trong thực tế, mỗi thiết bị có thể được kích hoạt bởi vài luồng dịch vụ (service flow), mỗi cái có một địa chỉ IP khác nhau và dành cho những ứng dụng khác nhau. Mỗi luồng dịch vụ đó có thể ở những chế độ tiết kiệm điện năng khác nhau. Vì thế, bộ thu phát sóng của CPE chỉ được tắt đi vào những lúc tất cả các luồng dịch vụ đều đã đi vào một trạng thái tiết kiệm điện năng nào đó. 4.4.6. Chế độ rỗi Ngay cả trong khi đang ở một chế độ tiết kiệm điện năng nào đó, mỗi CPE cũng cần định kỳ thức dậy rồi liên lạc với mạng. Trong những lúc không tích cực kéo dài thì điều đó là không mong muốn, bởi vì nó đòi hỏi các tài nguyên ở phía mạng phải giữ cho một đường truyền luôn tích cực, và có một ảnh hưởng tai hại lên thời gian tạm dừng tổng thể của CPE. Vì vậy, chuẩn WiMAX cũng qui định một trạng thái chế độ rỗi (Idle mode), trong đó đường truyền vô tuyến với mạng bị gỡ bỏ, nhưng thiết bị vẫn giữ (các) địa chỉ IP của nó. Một khi ở trong chế độ rỗi rồi, CPE có thể tắt đi bộ thu phát sóng của nó và chỉ thỉnh thoảng mới kiểm tra mức độ nhận sóng của cell hiện tại và các cell kế cận, và quan sát các thông điệp nhắn tin gửi tới, vốn có thể thông báo về những gói đang đợi ở phía mạng. Khoảng thời gian nhắn tin thường kéo dài chừng vài giây. Một ưu điểm khác của việc ở chees độ rỗi là, CPE có thể chuyển (roam) qua lại giữa những cell khác nhau thuộc cùng một nhóm nhắn tin (paging group) của mạng mà không cần báo cáo sự thay đổi vị trí ấy về cho mạng. Chỉ khi nào CPE chuyển đến một cell thuộc một paging group khác thì nó mới phải thông báo cho Các công nghệ di động Sau 3G 85 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 mạng vị trí mới của mình, vốn thuộc paging group mới, để sau này mạng có thể gửi các thông điệp nhắn tin đến paging group mới đó. Bởi vì một thông điệp nhắn tin được gửi qua vài cell, nên việc cộng tác nhắn tin (paging coordination) thuộc trách nhiệm của máy ASN-GW. 4.5. Các thủ tục báo hiệu cơ bản Hình 4.8 cho thấy các thủ tục cơ bản để thiết lập một đường truyền với mạng sau khi CPE vừa được bật điện lên. Ở bước thứ nhất, nó sẽ cố gắng tìm ra mạng đã dùng lần trước, mà các thông số của nó đã được CPE lưu trong bộ nhớ lâu bền (nonvolatile memory) của mình. Việc dùng thông tin này có ưu điểm là, CPE có thể đi thẳng đến một tần số đã biết và rất nhiều khả năng sẽ nhận được ngay một tín hiệu, nếu như người dùng chưa hề di chuyển kể từ khi CPE bị tắt đi. Nếu người dùng đã di chuyển rồi và CPE không bắt được tín hiệu nào ở tần số đó, nó sẽ bắt đầu một thủ tục tìm kiếm mạng thông thường. Trước hết, những dữ liệu truyền hướng xuống của một mạng WiMAX sẽ được CPE nhận ra bằng cách tìm trường Preamble của những khung dữ liệu nào có một mẫu hình bit đã biết. Sau khi phát hiện được trường Preamble, CPE được đồng bộ hóa với cấu trúc khung của đường truyền hướng xuống đó, và có thể bắt đầu tiếp nhận và giải mã thông tin về cell, vốn nằm ngay sau trường Preamble trên khung ấy. Hình 4.8: Các bước cần thiết để một CPE nối kết với một mạng WiMAX. Thông tin về cell mô tả vị trí cần tìm khu vực phân loại (ranging area) dựa trên sự ganh đua giữa các CPE (ngoài ra còn những thứ khác nữa), vốn được dùng ở bước thứ hai để nối kết với mạng. Sau đó khu vực này, được gọi là kênh truy cập tùy ý (random access channel) trong các chuẩn khác, được CPE dùng để gửi một thông điệp yêu cầu phân loại (ranging request message) với một mức công suất phát thấp. Thông điệp ấy bao gồm địa chỉ phần cứng MAC của CPE và kiểu điều chế và mã hóa mà CPE đề nghị mạng sử dụng để gửi câu trả lời. Nếu CPE không nhận được câu trả lời nào, thông điệp ấy sẽ được gửi lại với một mức công suất phát cao hơn. Sau khi mạng đã nhận thành công yêu cầu phân loại kia, nó trả lời bằng một thông điệp hồi đáp phân loại (ranging response message). Thông điệp đó chứa thông tin về cách thức CPE cần điều chỉnh mức công suất để truyền thông sau này và thông số đồng bộ hóa của nó. Việc điều chỉnh thông Các công nghệ di động Sau 3G 86 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 số đồng bộ hóa của CPE là cần thiết, bởi vì CPE không biết khoảng cách từ nó tới trạm cơ sở. CPE càng ở xa trạm cơ sở thì nó càng phải gửi dữ liệu sớm hơn để đến nơi cùng lúc với các gói của các thuê bao khác, vốn có khoảng cách đến trạm cơ sở ấy khác với nó. CPE sẽ áp dụng những giá trị này và gửi một yêu cầu phân loại khác đến mạng. Mạng kiểm tra xem các giá trị đó đã được áp dụng đúng đắn hay chưa, rồi gửi lại một thông điệp hồi đáp phân loại, xác nhận thủ tục này và kèm theo các mã nhận diện đường truyền (Connection ID _ CID) giúp nhận diện các gói gửi đến CPE ấy ở hướng xuống, cùng với những thông tin cấp phát dải tần ở hướng lên. Ở bước thứ ba, CPE gửi một thông điệp yêu cầu khả năng (capability request message) đến mạng, trong đó chứa thông tin về những khả năng của nó, chẳng hạn như các kiểu điều chế và mã hóa mà nó hậu thuẫn. Mạng trả lời bằng một thông điệp hồi đáp khả năng (capability response message), vốn chứa những khả năng của chính nó. Các thông điệp trao đổi khả năng này không được truyền trong khu vực phân loại, mà bằng CID cơ bản như một phần của khu vực dữ liệu của khung. Thế có nghĩa là ngay khi mạng gửi xong một thông điệp hồi báo phân loại cuối cùng, nó cũng bắt đầu phân bổ các tài nguyên truyền hướng lên cho CPE. Ở bước thứ tư, CPE và mạng xác minh lẫn nhau như đã mô tả trong mục 4.2. Sau đó, CPE đăng ký với mạng. Sau khi đăng ký xong, bước cuối cùng (thứ sáu) trong Hình 4.8 là thiết lập một luồng dịch vụ và các CID dành riêng cho dữ liệu người dùng. Thủ tục này có thể được khởi xướng bởi CPE hoặc mạng, nơi luồng dịch vụ ấy được cung cấp. Bởi vì các giao thức tầng cao hơn không biết gì về các luồng dịch vụ ấy, nên lúc này không có địa chỉ IP nào được cấp phát cả. Việc yêu cầu cấp phát địa chỉ IP là một hành động riêng biệt, phải được thực hiện bởi CPE sau khi luồng dịch vụ kia đã kích hoạt bằng cách gửi một yêu cầu DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) đến mạng theo cách tương tự như trong các mạng Ethernet cố định và mạng WiFi hiện nay. 4.6. Tổng kết và so sánh với HSPA và LTE Khi so sánh các thông số vật lý của WiMAX, LTE và HSPA+, ta thấy rõ là ở dải tần kênh truyền 5 MHz thì hiệu năng của ba hệ thống này như nhau. Khi độ rộng dải tần vượt quá 5 MHz, LTE và WiMAX có hiệu năng tương đương nhau, bởi vì cả hai đều dùng kiểu điều chế OFDM và những thông số vô tuyến khá giống nhau. Khác biệt chính giữa hai hệ thống là, WiMAX lúc đầu vẫn được triển khai ở chế độ truyền TDD, trong khi LTE sẽ chủ yếu được dùng ở chế độ FDD vì những lý do lịch sử. Một khác biệt nữa là, LTE sử dụng một kiểu truyền hướng lên khác, khiến nó hiệu quả về công suất hơn. Tuy nhiên, bao nhiêu khác biệt sẽ được thực hiện trong thực tế thì vẫn chưa biết, bởi vì LTE vẫn chưa được triển khai đại trà. Những khác biệt khác giữa hai hệ thống nằm ở những tầng cao hơn trong hệ thống. Trong khi giao tiếp vô tuyến của LTE thừa hưởng một kiểu tổ chức kênh nghiêm ngặt từ UMTS, thì kiểu thiết kế giao tiếp vô tuyến của WiMAX đơn giản hơn nhiều và gần gũi hơn với các tầng MAC theo phong cách Ethernet đơn giản. Trong thực tế, tốc độ truyền đạt được chỉ là một trong vài thông số quan trọng thôi. Quan trọng không kém là mỗi hệ thống đó có khả năng xử lý tốt đến mức nào đối với hàng trăm thiết bị luôn mở trên mỗi cell, mỗi thiết bị liên lạc với hệ thống vài lần một phút, bởi vì các ứng dụng như VoIP, các đường hầm VPN (Virtual Private Network) mã hóa, và các trình nhắn tin tức thời liên tục liên lạc với các server của chúng trong mạng để giữ cho các kênh truyền của chúng luôn mở xuyên qua các firewall và NAT gateway. Điều này đòi hỏi là hệ thống không chỉ được hợp lý hóa cho những dải tần cao mà còn có khả năng xử lý một số lượng lớn yêu cầu thông lượng mỗi giây để giữ cho hệ thống nhắn tin luôn hoạt động mà không cần hy sinh độ rộng dải tần và điện năng của pin. Như có thể thấy với HSPA, giao tiếp vô tuyến luôn được cải tiến để quan tâm đến cả điều này. Vì thế, vẫn còn phải xem các mạng WiMAX và LTE đầu tiên sẽ tính cước như thế nào khi xét đến điều này, và sự cải tiến của chúng thích nghi như thế nào với kiểu cách hoạt Các công nghệ di động Sau 3G 87 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 động này của thiết bị. Hệ quả của sự cải tiến liên tục này là, không thể mô tả hệ thống này là tốt hơn hệ thống kia xét về mặt hiệu năng. 4.7. Các công nghệ mạng này cạnh tranh lành mạnh Bởi vì LTE cùng với HSPA ở bên này và WiMAX ở bên kia rất tương tự nhau về mặt thông suất và kịch bản sử dụng, nên nhiều nhà quan sát tự hỏi liệu chúng ta sẽ nhìn thấy một sự cạnh tranh hủy diệt giống như vào thời các mạng 2G GSM và CDMA hay không. Ở đấy, người dùng và các nhà cung cấp dịch vụ mạng đã không hưởng lợi lớn từ cuộc cạnh tranh này, bởi vì cả mạng lẫn các ứng dụng đều nằm trong tay các nhà cung cấp dịch vụ mạng. Điều này tạo ra nhiều vấn đề bất tương thích cho người dùng. Một ví dụ là dịch vụ nhắn tin văn bản. Trong khi ở châu Âu, nhắn tin văn bản đã phát triển thịnh vượng lâu rồi, thì cho tới gần đây nó mới trở nên phổ biến ở Mỹ. Lý do chính cho sự trái khuấy này là, người dùng của các mạng khác nhau ở Mỹ không thể trao đổi tin nhắn với nhau. Vì vậy, dịch vụ ấy không cất cánh nổi cho tới khi cuối cùng người ta tìm ra khả năng thông tác giữa các mạng. Thế nhưng với HSPA, LTE và WiMAX thì viễn cảnh ứng dụng rất khác biệt. Ở đây, các mạng và ứng dụng đều phân biệt và không phụ thuộc vào nhau. Các ứng dụng đều dựa trên giao thức IP và sử dụng bất kỳ hạ tầng mạng nào. Các ứng dụng IP không, và không nên, biết gì về công nghệ mạng bên dưới cả, điều này cho phép người ta xây dựng các ứng dụng độc lập với kiến trúc mạng không dây. Một số ứng dụng vẫn sẽ được xây dựng bởi các nhà cung cấp dịch vụ mạng, nhưng đại đa số còn lại sẽ do các công ty dựa trên Internet cung cấp. Hệ quả của sự tách rời giữa ứng dụng và mạng này là, sự cạnh tranh giữa các công nghệ không dây khác nhau trở nên rất có lợi, bởi vì:  Nó khuyến khích các cuộc triển khai mạng diễn ra nhanh hơn, bởi vì đây là một trong những yếu tố phân biệt giữa các nhà cung cấp dịch vụ mạng.  Nó mang lại khả năng có thêm những tay chơi mới trên thị trường.  Nó tạo ra sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất thiết bị.  Các ứng dụng mới có thể được tạo ra dễ dàng và nhanh hơn nhiều, bởi vì chúng không còn bắt buộc phải tuân theo một cái sườn chung được kiểm soát chặt bởi nhà cung cấp dịch vụ mạng nào nữa. Các công nghệ di động Sau 3G 88 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 Danh mục các từ viết tắt 3GPP 3rd Generation Partnership Project AAS Adaptive Antenna System AES Advanced Encryption Standard AGCH Access Grant CHannel ANM Answer Message ARQ Automatic Retransmission Request ASN Access Service Network ASN-GW Access Service Network Gateway ATM Asynchronous Transfer Mode AuC Authentication Center B3G Beyond 3G BCCH Broadcast Control CHannel BSC Base Station Controller BSS Base Station Subsystem BSSMAP Base Station Subsystem Mobile Application Part BTS Base Transceiver Station CA Certification Authority CDMA Code Division Multiple Access CDR Call Detail Record CID Connection ID COA Care-Of (IP) Address CQI Channel Quality Index DCCH Dedicated Control CHannel DCH Dedicated CHannel DPCCH Dedicated Physical Control CHannel DPDCH Dedicated Physical Data CHannel DSCH Dedicated Shared CHannel DTCH Dedicated Traffic CHannel DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DL-MAP DownLink Mobile Application Part DNS Domain Name Service DSP Digital Signal Processor Các công nghệ di động Sau 3G 89 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution EIR Equipment Identity Register ETSI European Telecommunication Standards Institute FACH Forward Access CHannel FDD Frequency Division Duplex FDMA Frequency Division Multiple Access GGSN Gateway GPRS Support Node GMM GPRS Mobility Management GMM/SM GPRS Mobility Management and Session Management GMSC Gateway MSC GPRS General Packet Radio Service GTP GPRS Tunneling Protocol HARQ Hybrid Automatic Retransmission Request HLR Home Location Register HSDPA High-Speed Downlink Packet Access HS-DSCH High-Speed Dedicated Shared CHannel HS-SCCH High-Speed Shared Control CHannel HSUPA High-Speed Uplink Packet Access HTML HyperText Markup Language HTTP HyperText Transfer Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IMS IP Multimedia Subsystem IMSI International Mobile Subscriber Identity IP Internet Protocol ITU International Telecommunication Union LAN Local Area Network MAC Medium Access Control (layer) MAN Metropolitan Area Network MAP Mobile Application Part MDHO Macro Diversity Handover MIMO Multiple Input Multiple Output MM Mobility Management MS Mobile Station MSC Mobile Switching Center OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Các công nghệ di động Sau 3G 90 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PCCH Packet Common CHannel PCH Paging CHannel PCU Packet Control Unit PDP Packet Data Protocol PRACH Packet Random Access CHannel PSTN Public Standard Telephone Network QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service RACH Radio Access CHannel RNC Radio Network Controller RTD Round Trip Delay SCH Synchronization CHannel SCP Service Control Point SGSN Serving GPRS Support Node SM-MIMO Spatial Multiplexing MIMO SMS Short Messaging Service SMSC Short Messaging Service Center TCP Transfer Control Protocol TDD Time Division Duplex TDMA Time Division Multiple Access TRAU Transcoding and Rate Adaptation Unit TTI Transmit Time Interval UDP User Datagram Protocol UE User Equipment UMTS Universal Mobile Telecommunications System URL Universal Resource Locator UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network VLR Visitor Location Register VoIP Voice over IP WAP Wireless Application Protocol WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WiMAX Worldwide interoperability for Microwave Access Các công nghệ di động Sau 3G 91 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 Tài liệu tham khảo 1). UMTS Networks and Beyond _ Cornelia Kappler _ John Wiley & Sons, 2009 _ ISBN: 978-0-470-03190-2. 2). HSPA and LTE for Mobile Broadband (2nd Edition) _ Erik Dahlman et al _ Academic Press, 2008 _ ISBN: 978-0-12-374538-5. 3). WCDMA for UMTS – HSPA Evolution and LTE (4th Edition) _ Harri Holma and Antti Toskala _ John Wiley & Sons, 2007 _ ISBN: 978-0-470-31933-8. 4). Communication Systems for the Mobile Information Society _ Martin Sauter _ John Wiley & Sons, 2006 _ ISBN-13: 978-0-470-02676-2; ISBN-10: 0-470-02676-6. 5). Beyond 3G – Bringing Networks, Terminals and the Web Together _ Martin Sauter _ John Wiley & Sons, 2009 _ ISBN: 978-0-470-75188-6. 6). WiMAX Evolution: Emerging Technologies and Applications _ Tsutomu Ishikawa _ John Wiley & Sons, 2009 _ ISBN: 978-0-470-69680-4. 7). Fixed, Nomadic, Portable and Mobile Applications for 802.16-2004 and 802.16e WiMAX Networks _ Senza Fili Consulting on behalf of the WiMAX Forum, 2005. 8). Newton’s Telecom Dictionary (20th Edition) _ Harry Newton _ CMP Books, 2004 _ ISBN:1578203090.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfCác công nghệ sau 3G.pdf
Luận văn liên quan