đồ án công nghệ wifi offload cho các mạng vô tuyến di động

Với những cải tiến năng lực được cung cấp bởi công nghệ 802.11n WiFi,chi phí tương đối thấp của 802.11n WiFi AP, và áp dụng rộng rãi của khách hàng802.11a/b/g/n trong điện tử tiêu dùng,

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIFI VÀ VAI TRÒ CỦA WIFI OFFLOAD 3

1.1 Giới thiệu Wifi 3

1.1.1 Khái niệm Wifi 3

1.1.2 Quá trình phát triển Wifi 4

1.2 Các chuẩn IEEE 802.11 5

1.2.1 Chuẩn IEEE 802.11 gốc 6

1.2.2 ChuẩnIEEE 802.11b 6

1.2.3 Chuẩn IEEE 802.11a 6

1.2.4 Chuẩn IEEE 802.11g 7

1.2.5 Chuẩn IEEE 802.11n 7

1.3 Các thành phần và kiến trúc của Wifi 8

1.3.1 Các thành phần và kiến trúc 8

1.3.2 Lớp vật lý 10

1.3.2.1 Kiến trúc 10

1.3.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 11

1.3.2.3 Định dạng khung vật lý 12

1.3.2.4 Thông số vật lý 12

1.3.3 Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) 14

1.3.4 Chức năng kết hợp phân phối 16

1.3.4.1 Cơ chế cảm nhận sóng mang 16

1.3.4.2 Khoảng liên khung 17

1.3.4.3 Thời gian backoff ngẫu nhiên 18

1.3.4.4 Thủ tục truy cập 19

1.4 Vai trò của Wifi Offload 22

CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC GIẢI PHÁP WIFI OFFLOAD 25

2.1 Tổng quan về kiến trúc Wi-Fi Offload 25

2.2 Kiến trúc giải pháp IWLAN 26

2.2.1 Kiến trúc IWLAN cho điều khiển truy cập liên tục 27

2.2.1.1 Xác thực 30

2.2.1.2 Chính sách và điều khiển tính cước 34

2.2.2 Kiến trúc IWLAN cho di động liên tục 39

2.2.3 Ưu nhược điểm của kiến trúc giải pháp IWLAN 41

2.2.3.1 Ưu điểm 41

2.2.3.2 Nhược điểm 42

2.3 Kiến trúc giải pháp EPC 42

2.3.1 Mạng truy nhập IP Non-3GPP tin cậy 43

2.3.2 Mạng truy cập IP Non-3GPP không tin cậy 54

CHƯƠNG III: MỘT SỐ GIẢI PHÁP WIFI OFFLOAD CỦA CÁC HÃNG CUNG CẤP THIẾT BỊ 56

3.1 Giải pháp Wifi Offload của BelAir Networks 56

3.1.1 Kiến trúc Belair Networks GigXone 56

3.1.2 Kiến trúc giảm tải dữ liệu Belair Networks 3G/LTE 57

3.2 Giải pháp của Alcatel-Lucent 60

3.2.1 Cổng WLAN 7750 SR 61

3.2.2 Đường hầm ống mỏng và ống dày 62

3.2.3 Giảm tải tế bào qua truy cập WiFi 64

3.3 Giải pháp của INTELLINET 65

3.4 Giải pháp của Radisys 68

KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kiến trúc WLAN 802.11 và các thành phần 9

Hình 1.2: Hai BSS kết nối thông qua một hệ thống phân phối tạo thành một ESS 10 Hình 1.3: Kiến trúc vật lý 11

Hình 1.4: Tín hiệu OFDM 11

Hình 1.5: Định dạng khung IEEE 802.11-2007 PPDU (ERP-OFDM), trong đó b là các bit 12

Hình 1.6: Kiến trúc lớp MAC 15

Hình 1.7: Mối quan hệ khoảng liên khung 17

Hình 1.8: Ví dụ về chế độ truy cập cơ bản 20

Hình 1.9: Vấn đề thiết bị đầu cuối thành viên ẩn 20

Hình 1.10 Cơ chế RTS/CTS 21

Hình 1.11: Giải pháp vấn đề đầu cuối ẩn 22

Hình 1.12: WiFi Offloading với mạng 3GPP 24

Hình 2.1: Kiến trúc hạ tầng mạng Wifi để giảm tải dữ liệu di động 26

Hình 2.2: Kiến trúc IWLAN cho điều khiển truy cập liên tục 28

Hình 2.3: Kiến trúc xác thực dựa trên cổng thông tin 31

Hình 2.4: Luồng thoại đăng nhập tự động trong suốt điển hình 32

Hình 2.5: Kiến trúc xác thực dựa trên EAP 33

Hình 2.6: Luồng cuộc gọi xác thực EAP điển hình 34

Hình 2.7: Kiến trúc PCEF độc lập 35

Hình 2.8: Luồng thoại xác thực PCEF điển hình 36

Hình 2.9: Kiến trúc GTP đến GGSN truyền thống 37

Hình 2.10: Luồng thoại GTP đến GGSN truyền thống 38

Hình 2.11: Kiến trúc IWLAN cho di động liên tục 40

Hình 2.12: Khái niệm cơ bản về IP di động 40

Hình 2.13: Chuyển các luồng IP giữa các mạng truy cập vô tuyến 3GPP và

Non-3GPP 43

Hình 2.14: Kiến trúc 3GPP tích hợp truy cập IP Non-3GPP vào EPC, 44

Hình 2.15: Kiến trúc 3GPP tích hợp truy cập IP Non-3GPP vào EPC,

lựa chọn S2a 45

Hình 2.16: Kiến trúc LTE 46

Hình 2.17: Kết nối mạng S2c được định nghĩa bởi 3GPP 47

Hình 2.18: Kết nối mạng S2a được định nghĩa bởi 3GPP 48

Hình 2.19: Chuyển giao luồng thoại được định nghĩa trong 3GPP TS 23.402 50

Hình 2.20: Luồng thoại cho chuyển giao từ mạng truy cập LTE tới 52

Hình 2.21: Kiến trúc cho tích hợp mạng 3G vào EPC Sử dụng SGSN có khả năng S4 53

Hình 2.22: Kiến trúc cho mạng truy cập IP Non-3GPP không tin cậy 55

Hình 3.1: Belair Networks GigXone cho Wi-Fi và dịch vụ tế bào nhỏ 3G/LTE 57

Hình 3.2: Kiến trúc Belair Networks "HetNet Mobility" 58

Hình 3.3: Kiến trúc Cell Site Co-location 59

Hình 3.4:Giải pháp Wifi Offload của Alcatel – Lucent sử dụng Gateway 7750SR61 Hình 3.5: Các mô hình dịch vụ WiFi ống mỏng và ống dày 3GPP 62

Hình 3.6: Các giao thức đường hầm kết nối Alcatel-Lucent lightRadio WLAN Gateway AP tới WLAN Gateway 63

Hình 3.7: Cellular - Wi-Fi intermobility (giảm tải tế bào qua truy cập WiFi) 64

Hình 3.8: 66

Hình 3.9: Thiết bị của INTELLINET 68

Hình 3.10: 69

Hình 3.11: 73

Hình 3.12: Kiến trúc mạng 74

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Đặc điểm của các chuẩn IEEE 802.11 8

Bảng 1.2: Các tốc độ dữ liệu (điều chế và mã hóa) 13

Bảng 1.3: Các tốc độ dữ liệu và điều chế có thể 13

Bảng 1.4: Các thông số IEEE 802.11-2007 (ERP-OFDM) 14

Access Network Discovery and Selection Function

Acknowledge Access PointAccess Point NameAdvanced Telecommunications Computing Architecture

Binary Phase Shift KeyinBase Station System

Channel AggregationControl and Provisioning of Wireless Access PointComplementary Coded KeyingControl Gateway

Care of AddressCircuit SwitchCarrier Sense Multiple Access

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect

Clear to sendContention Window

Distributed Coordination Function

Distributed Coordinate Function

Nhận thực, Ủy quyền và Thanh toán

Chức năng lựa chọn và phát hiện mạng truy cập

Báo nhậnĐiểm truy nhậpTên điểm truy cậpKiến trúc tính toán vễn thông tiên tiến

Điều chế mã nhị phânTập dịch vụ cơ bản

Tập hợp kênhĐiểm truy cập vô tuyến điều khiển và dự phòng

Khóa mã bổ sungCổng điều khiểnĐịa chỉ care-ofChuyển mạch kênh

Đa truy cập cảm nhận sóng mang

Đa truy cập cảm nhận sóng mang phát hiện xung độtXóa để gửi

Của sổ xung độtChức năng kết hợp phân phốiKhoảng liên khung DCF

Distribution SystemDirect Sequence Spread SpectrumDatagram Transport Layer

Security

Extensible Authentication Protocol

EAP method for UMTS Authentication and Key Agreement

EAP method for GSM Subscriber Identity Module

EAP-Transport Layer Security

Enhanced Distributed Channel Access

Evolved Packet CoreEvolved Packet Data GatewayExtended Rate Phy

Electronic Switching System

Foreign AgentFederal Communications Commission

Gateway GPRS Suppoort NodeGeneral Packet Radio ServiceGeneric Routing EncapsulationGlobal System for Mobile Communication

GSM AssociationGPRS Tunnelling Protocol

Giao thức IP di động kiến trúckép phiên bản 6

Hệ thống phân phốiTrải phổ chuỗi trực tiếpBảo mật lớp truyền tải gói dữ liệu

Hệ thống chuyển mạch điện tử

Đại diện tạm trú

Ủy ban truyền thông liên bang

Node hỗ trợ cổng GPRSDịch vụ vô tuyến gói chung

Bộ định tuyến dùng chung

Hệ thống toàn cầu cho thông tin di động

Hiệp hội GSMGiao thức đường hầm GPRS

Hybrid Coordination FunctionHeterogeneous NetworkHome Location RegistryHome Address

Home Subscriber ServerHypertext Transfer Protocol

International Electrotechnical Commission

Institute of Electrical and Electronics

Internet Engineering Task Force

Interframe SpacingInternet Key Exchange

IP Multimedia SubsystemInternationnal Mobile Subscriber Identity

Internet Protocol Internet Protocol SecurityIntegrated Service Digital Network

InterSymbol InterferenceIndustrial Scientific Medical Internet Service ProviderInterworking Wireless LAN

Local Area NetworkLong Term Evolution

Cổng

Đại diện thường trúANDSF thường trúTruy cập kênh điều khiển HCF

Chức năng kết hợp laiMạng không đồng nhất

Bộ ghi định vị thường trúĐịa chỉ thường trú

Server thuê bao thường trúGiao thức truyền tải siêu văn bản

Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tếViện kỹ thuật điện và điện tử

Tổ chức nhiệm vụ kỹ thuật Internet

Khoảng liên khungTrao đổi khóa InternetPhân hệ đa phương tiện IPNhận dạng thuê bao di động quốc tế

Giao thức InternetBảo mật IP

Mạng số dịch vụ tích hợp

Nhiễu ký tự

Y tế khoa học công nghiệpNhà cung cấp dịch vụ InternetMạng LAN vô tuyến liên kết Mạng vùng nội hạt

Media Access Control

Mobile Access GatewayManagement GroupMobile IP ProtocolMultimedia Messaging Service

Mobile Network OperatorMobile Packet CoreMAC Protocol Data UnitMobile Station ISDNMobile Virtual Network Operator

Network Access IdentifierNetwork Allocation Vector

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Point CoordinatorPolicy and Charging Control

Policy and ChargingEnforcement functionPoint Coordination FunctionPersonal Digital AssistantPacket Data ProtocolPacket Data GatewayPacket Data Network GatewayPCF Interframe Space

Physical Layer Convergence Procedure

Physical Medium DependentProxy Mobile Internet Protocol

Điều khiển truy cập môi trường

Cổng truy cập di độngNhóm quản lý

Giao thức IP di độngDịch vụ báo tin đa phương tiện

Nhà khai thác mạng di độngLõi gói di động

Khối số liệu giao thức MACTrạm di động ISDN

Điều hành mạng ảo di động

Nhận dạng truy cập mạngVector phân bổ mạng

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao

Bộ kết hợp điểmĐiều khiển chính sách và tính cước

Chức năng thực thi chính sách

và tính cướcChức năng kết hợp điểm

Hỗ trợ số cá nhânGiao thức dữ liệu góiCổng dữ liệu góiCổng mạng dữ liệu góiKhoảng liên khung PCFLớp con thủ tục hội tụ lớp vật lý

Lớp con phụ thuộc môi trường vật lý

Giao thức Internet di động

Quality of Service

Radio Access NetworkRemote Authentication Dial In User Service

Radio FrequencyRequest to send

System Architecture Evolution – core network for LTE

S2a Mobility based on GPRS Tunneling Protocol

Service Access PointSession Broder ControllerSecurity Gateway

Serving GPRS Support NodeSubscriber Identity ModuleShort Message ServiveSelf Organizing Network (3GPP)Service Set Identifier

Transparent Automatic LogonTransmission Control ProtocolTunnel Termination GatewayUser Datagram Protocol

Yêu cầu gửi

Phát triển kiến trúc hệ mạng lõi cho LTE

thống-S2a di động dựa trên giao thức đường hầm GPRSĐiểm truy cập dịch vụ

Bộ điều khiển biên phiênCổng bảo mật

Node hỗ trợ phục vụ GPRSModul nhận dạng thuê baoDịch vụ nhắn tin

Mạng tự tổ chức (3GPP)

Bộ mô tả tập dịch vụ

Đăng nhập tự động trong suốtGiao thức điều khiển giao vậnCổng kết cuối đường hầmGiao thức gói dữ liệu người

sử dụng

WLAN Access GatewayWireless Ethernet Compatibility Alliance

WiFi Alliance Wireless FidelityWireless Internet Service Provider Roaming

Wireless Local Area Network

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Cổng truy cập WLANLiên minh tương thích Ethernet không dâyLiên minh WiFi

Chuyển vùng nhà cung cấp dịch vụ Internet không dâyMạng cục bộ vô tuyến

Với những cải tiến năng lực được cung cấp bởi công nghệ 802.11n WiFi,chi phí tương đối thấp của 802.11n WiFi AP, và áp dụng rộng rãi của khách hàng802.11a/b/g/n trong điện tử tiêu dùng, sử dụng miễn phí WiFi 802.11n đã nổi lênnhư là công nghệ lý tưởng để tăng dung lượng băng thông rộng di động và để phục

vụ như là một mở rộng của mạng truy nhập vô tuyến của nhà điều hành di động.Tiêu chuẩn công nghiệp như 802.11u, Hotspot 2.0, và EAP-SIM cho phép chế độkép 3G/4G và Wi-Fi các máy khách dễ dàng và an toàn chuyển vùng giữa các giaodiện 3G/4G và Wi-Fi AP trên cơ sở ứng dụng hoặc thậm chí trên mỗi luồng cơ sở

để nâng cao chất lượng tổng thể của kinh nghiệm cho các khách hàng băng thôngrộng di động

Với mong muốn tìm hiểu phương pháp giảm tải lưu lượng cho mạng di

động hiệu quả em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là Công nghệ Wifi

Offload cho các mạng vô tuyến di động Nội dung đồ án của em gồm ba chương

chính:

Chương I: Tổng quan công nghệ Wifi và vai trò của Wifi Offload

Chương II: Kiến trúc giải pháp Wifi Offload

Chương III: Một số giải pháp Wifi Offload của các hãng cung cấp thiết bị

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Phạm Đình Chung - người đã

Em xin chân thành cám ơn các thầy cô trong khoa Viễn thông I đã giúp đỡ tạo mọiđiều kiện cần thiết để em có thể hoàn thành đồ án Xin chân thành cám ơn tập thểlớp D08VT2, gia đình và bạn bè đã chia sẻ, động viên em trong thời gian em họctập và thực hiện đồ án tốt nghiệp.

Do nội dung kiến thức của đồ án tương đối rộng và mới mẻ, điều kiện thờigian cũng như kiến thức có hạn, nên đồ án của em chắc chắn không thể tránh khỏinhững thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm và ý kiến đóng góp củaquý thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2012

Sinh viên Nguyễn Thị Nhung

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIFI VÀ

VAI TRÒ CỦA WIFI OFFLOAD

1.1 Giới thiệu WiFi

1.1.1 Khái niệm WiFi

WiFi - Wireless Fidelity là tên gọi mà các nhà sản xuất đặt cho một chuẩnkết nối không dây (IEEE 802.11), công nghệ sử dụng sóng radio để thiết lập hệthống kết nối mạng không dây Đây là công nghệ mạng được thương mại hóa tiêntiến nhất thế giới hiện nay Công nghệ này hoạt động trong dải tần số ISM, cụ thểhơn trong băng tần 2.4GHz và trong băng tần 5GHz Lợi thế lớn của các băng tầnnày là các băng tần không được cấp phép hoặc miễn phí cấp phép tất cả các nơitrên thế giới Hệ thống này hoạt động ở nhiều nơi như các sân bay, quán cafe, thưviện hoặc khách sạn Hệ thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực cósóng của hệ thống này, hoàn toàn không cần đến cáp nối Ngoài các điểm kết nốicông cộng (hotspots), WiFi có thể được thiết lập ngay tại nhà riêng

Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ Viện kỹ thuật điện và điện tử IEEE (Institute

of Electrical and Electronics Engineers) Viện này đưa ra nhiều chuẩn cho nhiềugiao thức kỹ thuật khác nhau, và sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng;

3 chuẩn thông dụng của WiFi hiện nay là 802.11a/b/g

Trong một mạng WiFi, máy tính và card mạng WiFi kết nối không dây đếnmột bộ định tuyến không dây (router) Router được kết nối với Internet bằng mộtmodem, thường là modem DSL Các tín hiệu không dây có thể mở rộng phạm vicủa một mạng không dây

Mạng WiFi có thể được "mở", để ai cũng có thể sử dụng, hoặc "đóng" trongtrường hợp sử dụng một mật khẩu Một khu vực bao phủ truy cập không dâythường được gọi là một điểm nóng không dây

WiFi là công nghệ được thiết kế để phục vụ cho các hệ thống máy tính nhẹcủa tương lai, đó là điện thoại di động và thiết kế để tiêu thụ điện năng tối thiểu.PDA, máy tính xách tay, và các phụ kiện khác nhau được thiết kế để tương thíchvới WiFi Thậm chí còn có điện thoại được phát triển mà có thể chuyển đổi liềnmạch từ các mạng di động vào mạng WiFi mà không cần bỏ một cuộc gọi.

Ưu điểm của WiFi

 Ethernet không dây: WiFi là sự thay thế Ethernet WiFi và Ethernet, cảhai mạng IEEE 802 chia sẻ một số thành phần cơ bản

 Mở rộng truy cập: WiFi mở rộng truy cập vào những nơi mà dây và cápđiện không thể lắp đặt hoặc nơi mà chi phí quá cao để lắp đặt

 Chi phí giảm: Như đã đề cập ở trên, sự vắng mặt của dây và cáp điệnkhiến chi phí giảm Điều này được thực hiện bởi sự kết hợp của các yếu

tố, chi phí tương đối thấp của các bộ định tuyến không dây, không cầnđào hào, khoan và các phương pháp khác có thể cần thiết để thực hiệncác kết nối vật lý

 Di động: Có dây buộc người sử dụng cố định tại một địa điểm Vớikhông dây người sử dụng có thể tự do thay đổi vị trí mà không bị mấtkết nối

 Tính linh hoạt: Mở rộng truy cập, giảm chi phí, và tính di động tạo cơhội cho các ứng dụng mới cũng như khả năng của giải pháp sáng tạomới cho các ứng dụng

1.1.2 Quá trình phát triển WiFi

Ban đầu hình thành vào cuối năm 1980 như là một phần mở rộng củaEthernet không dây, WiFi hay còn gọi là mạng cục bộ không dây (WLAN) bắt đầuđược sử dụng Sau đó FCC thiết lập băng tần không có giấy phép và chủ yếu giớihạn để triển khai cho các doanh nghiệp cố định Với việc thành lập Tổ chức nhiệm

vụ 802.11 của Viện kỹ thuật Điện và Điện tử (IEEE) vào năm 1991 và tốc độ ngàycàng tăng của 802.11a và 802.11b (hoạt động không có giấy phép trên băng tần 5GHz và 2,4 GHz tương ứng) Liên minh tương thích Ethernet không dây (WECA)

đã sử dụng tên "WiFi", và bắt đầu tiếp thị công nghiệp, khả năng tương tác và

chương trình chứng nhận vào năm 1999 WiFi đã được sử dụng thành công như làmột tiêu chuẩn không dây rộng rãi.

Sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhóm làm việc IEEE 802.11 và Liên minhWiFi đã tiếp tục phát triển, và các phiên bản WiFi mới hơn như IEEE 802.11g (54Mbps phiên bản của 802.11b), IEEE 802.11n (~ 600 Mbps ở 5GHz bằng cách sửdụng băng thông rộng hơn và nhiều anten cho truyền và tiếp nhận), với khả năngtương thích ngược với các phiên bản cũ của 802.11, đã dẫn đến sản phẩm WiFitheo chuẩn 802.11a/b/g/n

Bởi vì WiFi ban đầu được hình thành như là một phần mở rộng đơn giảncủa cáp Ethernet, thiết kế cung cấp cho khoảng cách, vùng phủ sóng cục bộ, nên

đã không giải quyết xem xét một số vấn đề mạng như đo lường vô tuyến và số liệuthống kê, quản lý thiết bị, hoặc chất lượng dịch vụ (QoS) (mặc dù IEEE 802.11 đãđưa ra các tiêu chuẩn như 802.11e cho QoS, 802.11i cho các vấn đề như bảo mậtđược cải thiện), WiFi gần đây được tích hợp vào các tế bào mạng di động và đượcthông qua bởi nhiều nhà khai thác mạng di động

 802.11g: Một chuẩn tương tự như chuẩn b nhưng có tốc độ cao hơn

từ 20Mbps - 54Mbps, hiện đang phổ biến nhất

 802.11e: Là một chuẩn đang thử nghiệm, đây chỉ mới là phiên bảnthử nghiệm cung cấp đặc tính QoS (Quality of Service) và hỗ trợ

Multimedia cho gia đình và doanh nghiệp có môi trường mạngkhông dây.

 Thực tế còn một vài chuẩn khác thuộc họ 802.11 là: IEEE 802.11F,IEEE 802.11h, IEEE 802.11j, IEEE 802.11d, IEEE 802.11s Mỗichuẩn được bổ sung nhiều tính năng khác nhau

1.2.1 Chuẩn IEEE 802.11 gốc

Năm 1997, IEEE tạo ra chuẩn đầu tiên của WLAN, gọi là 802.11 sau têncủa nhóm phát triển (IEEE 802.11) Tuy nhiên, 802.11 chỉ hỗ trợ mạng với băngthông tối đa là 2Mbps (hoạt động ở 2.4GHz với tốc độ là 1Mpbs hoặc 2Mpbs), quáchậm cho hầu hết các ứng dụng Do đó, các sản phẩm 802.11 không còn được sảnxuất

 Ưu điểm: Giá thành rẻ, dải tín hiệu tốt và không dễ dàng bị tắcnghẽn

 Nhược điểm: Tốc độ thấp nhất, lắp đặt ở nhà dễ bị nhiễu bởi cácthiết bị cùng dải tần không đăng ký

1.2.3 Chuẩn IEEE 802.11a

Cùng với 802.11b, IEEE tiếp tục đưa ra chuẩn mở rộng thứ hai cũng dựavào 802.11 đầu tiên - 802.11a Chuẩn 802.11a sử dụng tần số 5GHz, tốc độ54Mbps tránh được can nhiễu từ các thiết bị dân dụng Đồng thời, chuẩn 802.11acũng sử dụng kỹ thuật trải phổ khác với chuẩn 802.11b là kỹ thuật trải phổ theo

phương pháp đa phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Đây được coi là kỹ thuậttrội hơn so với trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Do chi phí cao hơn, 802.11athường chỉ được sử dụng trong các mạng doanh nghiệp, trong khi, 802.11b thíchhợp hơn cho nhu cầu gia đình Tuy nhiên, do tần số cao hơn tần số của chuẩn802.11b nên tín hiện của 802.11a gặp nhiều khó khăn hơn khi phải xuyên quatường và các vật cản khác.

Do 802.11a và 802.11b sử dụng tần số khác nhau, hai công nghệ này khôngtương thích với nhau Một số hãng sản xuất bắt đầu cho ra đời sản phẩm "lai"802.11a/b, nhưng các sản phẩm này chỉ đơn thuần là cung cấp 2 chuẩn sóng WiFicùng lúc (máy trạm dùng chuẩn nào thì kết nối theo chuẩn đó)

 Ưu điểm: Tốc độ nhanh, không bị nhiễu với những thiết bị khác

 Nhược điểm: Giá thành cao, bước sóng ngắn nên dễ bị ngăn chặn

1.2.4 Chuẩn IEEE 802.11g

Vào năm 2002 - 2003, sản phẩm WLAN được cung cấp một chuẩn mới cótên gọi là 802.11g 802.11g kết hợp ưu điểm của hai chuẩn 802.11a và 802.11b:cung cấp băng thông lên tới 54Mbps và sử dụng dải tần 2.4GHz cho các thiết bịphát sóng Vì 802.11g hoạt động cùng tần số với 802.11b, nên các điểm truy cập802.11g sẽ làm việc với card mạng Wi-Fi chuẩn 802.11b

Tháng 7/2003, IEEE thông qua chuẩn 802.11g Chuẩn này cũng sử dụngphương thức điều chế OFDM tương tự như 802.11a nhưng lại dùng tần số 2,4GHzgiống với chuẩn 802.11b Điều thú vị là chuẩn này vẫn đạt tốc độ 54Mbps và cókhả năng tương thích ngược với chuẩn 802.11b đang được sử dụng phổ biến

 Ưu điểm: Tốc độ nhanh, tín hiệu tốt và không dễ bị ngăn chặn

 Nhược điểm: Giá thành cao hơn 802.11b, nhưng có thể bị nhiễu bởidải tần không cần đăng ký

1.2.5 Chuẩn IEEE 802.11n

Chuẩn Wi-Fi mới nhất trong danh mục WiFi là 802.11n 802.11n được thiết

kế để cải thiện tính năng của 802.11g về tổng băng thông được hỗ trợ bằng cáchtận dụng nhiều tín hiệu không dây và anten (sử dụng công nghệ nhiều đầu vào –nhiều đầu ra MIMO) Khi chuẩn này hoàn thành, 802.11n sẽ hỗ trợ tốc độ lên đến300Mbps 802.11n cũng có tầm phủ sóng tốt hơn các chuẩn WiFi trước đó nhờ

tăng được cường độ tín hiệu Các thiết bị 802.11n cũng sẽ tương thích ngược với802.11g

 Ưu điểm: Là tốc độ cao nhất, vùng phủ sóng tốt nhất; chống nhiễutốt từ các tác động của môi trường

 Nhược điểm: Giá thành cao hơn 802.11g; sử dụng nhiều luồng tínhiệu có thể gây nhiễu với các thiết bị 802.11b/g kế cận

Bảng 1.1: Đặc điểm của các chuẩn IEEE 802.11

Các đặc điểm kỹ thuật của IEEE 802.11

DSSS hoặcCCK hoặcOFDM

Dải tần số

2,4GHz hay5GHzLuồng không

Độ rộng

20 MHz hay 40MHz

1.3 Các thành phần và kiến trúc của WiFi

1.3.1 Các thành phần và kiến trúc

Tiêu chuẩn 802.11 xác định kiến trúc và một số thành phần tương tác vớinhau để đảm bảo giao tiếp mạng WLAN và di động một cách thích hợp.

Hình 1.1 mô tả các thành phần quan trọng nhất của kiến trúc được sử dụngphổ biến, trong đó ba người sử dụng kết nối đến một điểm truy cập để có thể truycập Internet thông qua một mạng WLAN

Hình 1.1: Kiến trúc WLAN 802.11 và các thành phần

BSS (tập dịch vụ cơ bản) là khối chính của mạng LAN 802.11 Trong BSS

là một nhóm các thành phần như các trạm có thể là các điểm truy cập, trạm kháchhoặc cả hai truyền thông với nhau ở cùng thời điểm

Các điểm truy cập là thực thể bất kỳ cho phép truy cập đến hệ thống phânphối (DS) qua môi trường không dây đối với các trạm khách được liên kết Trạmkhách có thể là máy tính hoặc các thiết bị với một giao diện không dây

Hệ thống phân phối là các thành phần để kết nối các BSS khác nhau và tíchhợp mạng LAN để tạo ra một thiết lập dịch vụ mở rộng (ESS), cho phép tạo ra cácmạng không dây có kích thước khác nhau và phức tạp như được mô tả trong Hình1.2

Hình 1.2: Hai BSS kết nối thông qua một hệ thống phân phối tạo thành một ESS

1.3.2 Lớp vật lý

Có một số khía cạnh có thể được xem xét về lớp vật lý của IEEE 802.11,nhưng chúng ta sẽ tập trung vào kiến trúc, ghép kênh phân chia theo tần số trựcgiao (OFDM), định dạng khung và thông số kỹ thuật vật lý được mô tả trong tiêuchuẩn IEEE 802.11- 2007 như sau:

Tiêu chuẩn này mô tả các kiểu điều chế và mã hóa như trải phổ chuỗi trựctiếp (DSSS), khóa mã bổ sung (CCK), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM), và DSSS-OFDM để đạt được các tốc độ dữ liệu khác nhau Các đặc tảvật lý sẽ được giải thích sau trong phần 1.3.2.4

1.3.2.1 Kiến trúc

Kiến trúc của lớp vật lý bao gồm lớp con thủ tục hội tụ lớp vật lý (PLCP)

và lớp con phụ thuộc môi trường vật lý (PMD)

Lớp con đầu tiên được sử dụng để lớp MAC IEEE 802.11 hoạt động với sựphụ thuộc ít nhất có thể vào lớp con PMD Lớp MAC truyền thông với lớp conPLCP thông qua điểm truy cập dịch vụ (SAP), qua đó các đơn vị dữ liệu giao thứcMAC (MPDU) được tiếp nhận

PMD cung cấp phương thức để gửi và nhận dữ liệu giữa các trạm Hình 1.3

mô tả kiến trúc lớp vật lý

Hình 1.3: Kiến trúc vật lý

1.3.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là kỹ thuật ghép kênh

đa sóng mang trong đó nhiều sóng mang con dung lượng thấp được kết hợp để đạtđược dung lượng cao hơn Khái niệm quan trọng nhất về OFDM là các sóng mangcon trực giao và cách nhau khoảng tần số 1/T như là yêu cầu tối thiểu để đảm bảotính trực giao, trong đó T là chu kỳ của tín hiệu Các sóng mang con OFDM đượctrình bày trên Hình 1.4

Hình 1.4: Tín hiệu OFDM

Dữ liệu truyền được chia thành các kênh song song, sử dụng một trong cáckênh này cho mỗi sóng mang con Mỗi sóng mang con được điều chế bởi kỹ thuậtđiều chế như QAM hoặc PSK.

Một trong những ưu điểm của OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọctheo tần số gây ra bởi nhiễu đa đường mà không cần sử dụng các bộ cân bằngphức hợp và khả năng loại bỏ ISI vì tốc độ ký hiệu thấp (so với một tín hiệu sóngmang đơn với dung lượng tương đương) và sử dụng khoảng bảo vệ giữa các kýhiệu

1.3.2.3 Định dạng khung vật lý

Khung vật lý chủ yếu bao gồm phần tiêu đề chịu trách nhiệm về các vấn đềđịnh thời và đồng bộ; tín hiệu được đặc tả bởi tốc độ dữ liệu, dộ dài ; và dữ liệu

là một trường có độ dài thay đổi Tín hiệu được điều chế và mã hoá bởi BPSK, tỷ

lệ r = 1/2, trong khi dữ liệu có tốc độ được chỉ thị trong trường con tốc độ trong tínhiệu

Định dạng khung vật lý được mô tả trên Hình 1.5

Hình 1.5: Định dạng khung IEEE 802.11-2007 PPDU (ERP-OFDM),

Bảng 1.2 mô tả các đặc tả điều chế IEEE 802.11-2007, đặc tính mã hóa vàtốc độ dữ liệu của IEEE 802.11-2007.

Bảng 1.2: Các tốc độ dữ liệu (điều chế và mã hóa)

Bảng 1.3 mô tả tất cả các tốc độ dữ liệu được định nghĩa bởi tiêu chuẩn để

có khả năng tương thích ngược với các trạm, các chế độ điều chế tùy chọn và bắtbuộc được quy định cụ thể

Bảng 1.3: Các tốc độ dữ liệu và điều chế có thể

Bảng 1.4 mô tả các thông số phổ biến nhất được định nghĩa bởi tiêu chuẩn.

Bảng 1.4: Các thông số IEEE 802.11-2007 (ERP-OFDM)

1.3.3 Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC)

Kiến trúc lớp MAC có thể được mô tả một cách dễ dàng như trên Hình 1.6.Hình này mô tả các chức năng kết hợp điểm (PCF) và chức năng kết hợp lai(HCF) qua các dịch vụ của chức năng kết hợp phân phối (DCF), không có cáctrạm chất lượng dịch vụ (QoS), HCF không hiện diện và ở trong các trạm QoS, cảHCF và DCF đều hiện diện Đối với tất cả các trạm, PCF là một tính năng tuỳchọn

Hình 1.6: Kiến trúc lớp MAC

DCF là phương pháp truy cập chính của lớp MAC chuẩn IEEE 802.11 đượcgọi là CSMA/CA Phương pháp truy cập này được thực hiện trong tất cả các trạm

và được sử dụng trong IBSS và các mạng hạ tầng Điều này sẽ được giải thíchthêm trong phần 1.3.4 của chương này

PCF là phương pháp truy cập tùy chọn cho IEEE 802.11 mà chỉ được sửdụng trong các mạng hạ tầng Đặc điểm chính của phương pháp truy cập này là sửdụng bộ kết hợp điểm (PC) tại các điểm truy cập của BSS nhằm xác định trạm đểtruyền tải PCF cung cấp các thông tin trong các khung quản lý báo hiệu để thiếtlập vectơ phân bổ mạng (NAV) tại các trạm Do đó, có thể có được sự điều khiểnmôi trường truyền thông PCF sử dụng cơ chế VCS (giải thích trong phần 1.3.4.1)

Các khung quản lý báo hiệu được sử dụng bởi điểm truy cập để thông báo

sự hiện diện của nó và để truyền thông tin sẽ giúp các trạm làm việc tốt trong BSS

Nó được gửi định kỳ và các thông tin trong khung này có thể được sử dụng chocác mục đích khác nhau như các tốc độ dữ liệu khả dụng trong BSS, SSID và dấuthời gian

HCF là một cơ chế chức năng kết hợp chỉ được sử dụng trong các mạngQoS HCF được gọi là lai vì nó kết hợp các chức năng từ PCF và DCF với một sốcải tiến HCF sử dụng hai phương pháp truy cập kênh Truy cập kênh phân phốitiên tiến (EDCA) và truy cập kênh điều khiển HCF (HCCA) Phương pháp đầutiên là truy cập kênh dựa trên tranh chấp và phương pháp thứ hai là truy cập kênhđiều khiển

1.3.4 Chức năng kết hợp phân phối

Tiêu chuẩn IEEE 802.11 định nghĩa chức năng kết hợp phân phối dựa trêngiao thức CSMA/CA để chia sẻ môi trường không dây

Các trạm nghe kênh trước khi truyền để xác định xem trạm khác có đangphát hay không Để giảm xác suất xung đột, trạm sử dụng một thời gian backoffngẫu nhiên trong điều kiện môi trường bận Ngoài ra, trạm đích để xác nhận việcthu nhận gói tin truyền thành công phát một xác nhận tích cực Nếu không thuđược xác nhận, trạm phát định trình việc truyền dẫn lại

Kỹ thuật truy cập khác được định nghĩa bởi DCF là cơ chế truy cậpRTS/CTS

1.3.4.1 Cơ chế cảm nhận sóng mang

Cảm nhận sóng mang xác định xem môi trường là rỗi hay bận 802.11 địnhnghĩa hai kiểu chức năng cảm nhận sóng mang để xác định trạng thái của môitrường: cảm nhận sóng mang vật lý được cung cấp bởi lớp vật lý và cảm nhậnsóng mang ảo được cung cấp bởi lớp MAC

Cảm nhận sóng mang vật lý phát hiện sự tích cực ở giao diện vô tuyến.Trước khi truyền một khung, các trạm cảm nhận môi trường và cố gắng truyền dẫnnếu kênh được cảm nhận là rỗi hoặc ngừng truyền dẫn nếu kênh được cảm nhận làbận Kênh được cảm nhận là rỗi nếu cường độ của tín hiệu nhận được không vượtquá ngưỡng CS, ngược lại, kênh được cảm nhận là bận

Cảm nhận sóng mang ảo dựa trên vector phân bổ mạng (NAV) Trườngthời gian của các khung có thể được sử dụng như là một NAV để dành kênh chomột khoảng thời gian cố định Các trạm tính toán khoảng thời gian mà chúng kỳvọng để sử dụng kênh và thiết lập khoảng này tới NAV Các trạm nhận đượcthông tin này, trì hoãn trong việc truy cập môi trường đối với thời gian NAV Khi

bộ định thời NAV hết hạn, chức năng cảm nhận sóng mang ảo chỉ thị rằng kênh làrỗi

Bằng cách sử dụng cảm nhận sóng mang ảo, cơ chế RTS/CTS giải quyếtđược vấn đề “thiết bị đầu cuối ẩn”

Cảm nhận sóng mang vật lý làm việc kết hợp với trạng thái NAV Trongsuốt thời gian đếm ngược NAV, cảm nhận sóng mang vật lý là off Khi NAV đạtđến 0 thì cảm nhận sóng mang vật lý xác định trạng thái rỗi hay bận của môitrường cho việc truyền dẫn trong tương lai

1.3.4.2 Khoảng liên khung

Thời gian giữa các khung, IFS, đóng vai trò quan trọng cung cấp các mức

ưu tiên khác nhau để truy cập vào môi trường truyền dẫn Bằng cách sử dụng cảmnhận sóng mang, một trạm xác định trạng thái của môi trường trong khoảng thờigian quy định Tiêu chuẩn IEEE 802.11-2007 xác định 5 IFS khác nhau, chúng tachỉ xét 3 IFS trong số đó Hình 1.7 cho thấy mối quan hệ giữa IFS

Hình 1.7: Mối quan hệ khoảng liên khung

Khi môi trường trở nên rỗi, khung có ưu tiên cao không phải chờ đợi lâunhư khung có ưu tiên thấp Thay đổi khoảng thời gian giữa các khung có thể tạo racác mức ưu tiên khác nhau cho các loại lưu lượng khác nhau Khoảng liên khung

là một lượng thời gian cố định, độc lập với tốc độ dữ liệu của trạm Các giá trị IFSđược xác định bởi lớp vật lý 3 IFS khác nhau là:

- Khoảng liên khung ngắn (SIFS)

SIFS là ngắn nhất trong các IFS cho IEEE 802.11-2007, nó được sử dụngcho truyền dẫn ưu tiên cao như các khung ACK và các khung CTS Khi truyền dẫnbắt đầu sau một SIFS, môi trường trở nên bận, vì vậy các trạm đang chờ môitrường rỗi, đối với khoảng liên khung dài hơn phải trì hoãn cho đến khi kết thúctruyền dẫn hiện tại

- Khoảng liên khung PCF (PIES)

Các PIFS được sử dụng bởi PCF để đạt được ưu tiên qua môi trường trongkhi không có xung đột Các PIFS cũng sẽ được sử dụng bởi các trạm truyền khungthông báo chuyển mạch kênh

- Khoảng liên khung DCF (DIFS)

DIFS được sử dụng bởi DCF và là thời gian rỗi môi trường cực tiểu mà cáctrạm nên đợi để truyền dẫn các khung dữ liệu và các khung quản lý

1.3.4.3 Thời gian backoff ngẫu nhiên

Đặc tính tránh xung đột của giao thức CSMA là khoảng thời gian backoffngẫu nhiên.

Sau khi truyền dẫn một khung đã được hoàn tất và môi trường được cảmnhận là rỗi trong một khoảng thời gian bằng DIFS, các trạm có thể tạo ra mộtkhoảng thời gian backoff ngẫu nhiên bằng cách sử dụng phương trình (1.1) chothêm một thời gian trì hoãn bổ sung trước khi phát Khoảng thời gian tạo ra đượcchia thành các khe Môi trường được cảm nhận ở mỗi khe backoff Nếu môitrường được cảm nhận rỗi đối với một khe backoff cụ thể, thì thời gian backoffđược giảm đi ở một khe Ngược lại, nếu môi trường được cảm nhận là bận, thủ tụcbackoff bị tạm dừng và thời gian backoff không giảm đi Khi môi trường lại trởnên rỗi đối với thời gian DIFS, thủ tục backoff được bắt đầu lại Khi bộ đếm thờigian backoff đạt đến không, truyền dẫn sẽ bắt đầu

BackoffTime = Random () ‘SlotTime (1.1)

Trong đó

Random(): Đối với mỗi gói tin truyền dẫn được tạo ra một giá trị ngẫunhiên trong khoảng [0, CW] Giá trị CW được gọi là cửa sổ xung đột Cửa sổ xungđột phụ thuộc vào số lượng truyền dẫn lại Đối với nỗ lực truyền dẫn đầu tiên, giátrị của CW bằng CWmin, cửa sổ xung đột ban đầu Sau mỗi truyền dẫn lại, phạm

vi [0, CW] tăng gấp đôi, lên đến giá trị cực đại CWmax CW được biểu diễn nhưsau:

CW = (2i × (CWmin +1)) -1, trong đó 'i' phụ thuộc vào cửa sổ xung đột cực đại

Lưu ý: Giá trị của CWmin và CWmax được quy định cụ thể trong tiêuchuẩn và phụ thuộc vào lớp vật lý

SlotTime: Phụ thuộc vào lớp vật lý Thời gian cần thiết để phát hiện cáctruyền dẫn từ trạm khác bất kỳ

1.3.4.4 Thủ tục truy cập

DCF định nghĩa hai kỹ thuật truy cập dựa trên CSMA/CA, là chế độ truycập cơ bản và cơ chế truy cập RTS/CTS tùy chọn

 Chế độ truy cập cơ bản

Một trạm trước khi phát các khung dữ liệu, kiểm tra môi trường có rỗi haykhông Nếu môi trường được cảm nhận là rỗi trong khoảng thời gian bằng DIFS,trạm phát dữ liệu Ngược lại, nếu môi trường được cảm nhận là bận, trạm trì hoãnviệc truyền dẫn của nó và đợi đến khi môi trường trở nên rỗi đối với một DIFS vàtạo ra thời gian backoff ngẫu nhiên trong một thời gian trì hoãn bổ sung trước khiphát dữ liệu Bộ đếm thời gian backoff giảm khi môi trường được cảm nhận là rỗi

và được đóng khi truyền dẫn được cảm nhận trên môi trường Khi môi trường lạitrở nên rỗi đối với một DIFS, bộ đếm thời gian được bắt đầu lại Khi thời gianbackoff đạt đến không, trạm phát dữ liệu

Trạm đích phát một xác nhận tích cực để xác nhận đã nhận gói tin thànhcông Nếu không nhận được xác nhận trong thời gian timeout ACK, trạm gửi lậplịch việc phát lại và cửa sổ xung đột tăng gấp đôi Khi gói tin được phát thànhcông cửa sổ xung đột được thiết lập lại tới giá trị mặc định của nó, CWmin Hình1.8 là một ví dụ về chế độ truy cập cơ bản

Hình 1.8: Ví dụ về chế độ truy cập cơ bản

Một trong những nhược điểm của chế độ truy cập cơ bản là vấn đề “đầucuối ẩn” Do vị trí của trạm trong một mạng, đôi khi các trạm không thể giao tiếpvới tất cả các trạm khác từ mạng, như mô tả trên Hình 1.9.

Hình 1.9: Vấn đề thiết bị đầu cuối thành viên ẩn

Trong Hình 1.9, cả hai trạm phải phát lại khung do xung đột Thời gian bịlãng phí trong các xung đột do "đầu cuối ẩn" là rất lớn, ảnh hưởng đến hiệu quảcủa mạng Giải pháp cho vấn đề "đầu cuối ẩn" được mô tả trong phần tiếp theo

 Chế độ truy cập RTS/CTS

Chế độ truy cập RTS/CTS là một chức năng tùy chọn của tiêu chuẩn 802.11

để điều khiển việc truy nhập vào môi trường

Chế độ truy cập RTS/CTS được sử dụng để đảm bảo sự dự trữ của môitrường

Khung RTS lần đầu tiên được phát khi có một khung dữ liệu hoặc mộtkhung quản lý sẵn sàng được phát bởi một trạm Trạm thiết lập NAV trong khungRTS của nó và gửi nó sau một xung đột thành công đối với kênh Tất cả các trạmthu khung RTS ngoại trừ trạm đích, đọc trường khoảng thời gian để cập nhật NAVcủa chúng Sau đó, trạm đích phản hồi bằng một khung CTS sau một SIFS Tất cảcác trạm thu khung CTS đọc trường thời gian và cập nhật NAV của chúng Saukhi thu thành công khung CTS, trạm nguồn có thể phát khung của nó miễn là kênhđược dành cho việc truyền dẫn Nếu các trạm gửi trong một thời gian timeout CTS

không thu được khung CTS, khung RTS truyền lại sau khi một xung đột thànhcông của kênh.

Hình 1.10 mô tả cơ chế RTS/CTS Lưu ý rằng NAV duy trì một dự đoán vềthời gian bận trung bình NAV (CTS) được tính toán bởi các trạm đích, khi thuđược khung RTS, như là NAV (RTS) trừ đi thời gian của khung CTS trừ mộtSIFS

Hình 1.10: Cơ chế RTS/CTS.

Cơ chế truy cập RTS/CTS giải quyết được vấn đề "đầu cuối ẩn" mô tả trongchế độ truy cập cơ bản Các trạm có thể không thu được khung RTS từ trạm gửi cóthể thu được khung CTS từ trạm đích Hình 1.11 mô tả cơ chế RTS/CTS giảiquyết vấn đề "đầu cuối ẩn" Lưu ý rằng trạm 1 và trạm 2 nằm ngoài phạm vi củanhau

Hình 1.11: Giải pháp vấn đề đầu cuối ẩn.

Cơ chế RTS/CTS làm tăng phần mào đầu do bổ sung thêm hai khung trênmỗi truyền dẫn dữ liệu Mặt khác, nó làm giảm sự lãng phí thời gian trong cácxung đột Các khung RTS và CTS là tương đối nhỏ (RTS là 20 octet và CTS là 14octet) so với kích thước khung dữ liệu cực đại Phụ thuộc vào kích thước mạng vàkích thước gói tin, cơ chế truy cập RTS/CTS tích cực có thể thuận tiện hay không.

1.4 Vai trò của Wifi Offload

Hình 1.12: Vai trò của WiFi Offload

Lưu lượng mạng di động đang gia tăng nhanh chóng, trong khi các nhàcung cấp dịch vụ phải quản lý mạng lưới của mình một cách hiệu quả nhằm đápứng nhu cầu của người sử dụng Sự phát triển công nghệ của các mạng truy cập vôtuyến bị giới hạn bởi các định luật vật lý, và sự tăng trưởng đáng kể về hiệu quảtrong tần số vô tuyến (RF) hiệu quả có thể không còn được như mong đợi Truycập vô tuyến dựa trên công nghệ mới như LTE đang đạt đến giới hạn của định luậtShannon, phổ tần khả dụng cho các ứng dụng dữ liệu di động là hạn chế, và giảipháp để tăng tổng dung lượng mạng di động là tăng tỷ lệ sóng mang trên nhiễutrong khi giảm kích thước tế bào và triển khai các công nghệ tế bào nhỏ Các tếbào này được đặc trưng bằng cách chuyển lưu lượng lớn dữ liệu trên một khoảngcách rất ngắn

Phương thức hiệu quả nhất để sử dụng các tế bào nhỏ là đặt các tế bào này

ở những vị trí có một lượng đáng kể dữ liệu được tạo ra (các trung tâm mua sắm,sân vận động, trường đại học, các địa điểm giao thông công cộng, ) và ở nơi màcác thuê bao sử dụng hầu hết thời gian của mình và do đó tiêu thụ một lượng đáng

kể dữ liệu (các tòa nhà, văn phòng, )

WiFi, một trong các công nghệ tế bào nhỏ, thu hút nhiều nhà khai thác như

là phương thức hiệu quả để giảm tải lượng lớn lưu lượng dữ liệu di động trong khicung cấp một số các dịch vụ mới Giảm tải lưu lượng bằng WiFi (802.11 WLAN)được xem là giải pháp khả thi của sự bùng nổ lưu lượng dữ liệu di động và vì córất nhiều phổ WiFi không cần giấy phép đã tồn tại với số lượng rất lớn các thiết bịtương thích trong đó các nhà khai thác có thể sử dụng Điều này giúp đơn giản hóa

sự phức tạp cũng như chi phí quản lý và triển khai mạng WiFi Khi đó, các nhàkhai thác mạng có thể cung cấp các dịch vụ lợi thế của WiFi trong cả môi trườngtrong nhà và ngoài trời và tăng doanh thu và nâng cao dung lượng qua việc duy trìthuê bao và tăng thị phần WiFi cung cấp các tính năng ưu việt sau đây:

 Hiện nay được triển khai rộng rãi

 Sự khả dụng của thiết bị người sử dụng hỗ trợ công nghệ

 Chi phí hiệu quả

 Khả năng xác định người sử dụng và các thiết bị mới mà không cần

số thuê bao di động (không có modul nhận dạng thuê bao [SIM])

 Dung lượng phổ tần khả dụng toàn cầu

 Các tiêu chuẩn khả dụng đối với việc tích hợp vào các mạng lõi diđộng

Hiện nay các nhà khai thác di động đã giới thiệu và bắt đầu thực hiện chiếnlược giảm tải dữ liệu di động Nói cách khác, họ sẽ phải tìm ra các công nghệ bổsung để cung cấp lượng lớn dữ liệu cho các mạng 3G/4G WiFi được xem như làcông nghệ giảm tải lưu lượng hiệu quả cho các mạng di động

CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC GIẢI PHÁP WIFI OFFLOAD

2.1 Tổng quan về kiến trúc Wi-Fi Offload

Tiêu chuẩn 3GPP phân biệt hai kiểu truy cập WiFi (còn gọi là truy cập IPNon-3GPP):

 Không tin cậy: Giới thiệu trong giai đoạn đầu của các đặc tả WiFitrong 3GPP phiên bản 6 (2005), truy nhập không tin cậy bao gồmbất kỳ loại hình truy cập WiFi hoặc không phải là dưới sự điều khiểncủa nhà khai thác (hotspot mở công cộng, mạng WLAN ở nhà thuêbao, ) hoặc không cung cấp bảo mật đầy đủ (xác thực, mã hóa, )

 Tin cậy: Truy cập tin cậy thường đề cập tới việc truy cập WiFi đượcxây dựng bởi nhà khai thác với mật mã hóa qua giao diện vô tuyến

và một phương pháp xác thực an toàn Truy cập tin cậy IP 3GPP được giới thiệu với các tiêu chuẩn LTE ở 3GPP phiên bản 8(2008) Mặc dù hầu hết các thiết kế giảm tải hiện nay được xây dựngtrên mô hình tin cậy, 3GPP hiện không cung cấp hướng dẫn cho việctích hợp với phần lõi 3G hay 2G Tuy nhiên, kiểu truy cập nàynguyên bản được tích hợp vào mạng lõi gói tiên tiến của LTE (EPC)

Non-Trong các đặc tả 3GPP, mạng WiFi được gọi là mạng truy cập WiFi.Không có chi tiết về cấu trúc mạng WiFi được quy định cụ thể Chúng ta có thểchia tách mạng thành các phần tử truy cập và phần tử cổng Cơ sở hạ tầng mạngWiFi để giảm tải dữ liệu di động bao gồm ba phần:

 Mạng truy cập vô tuyến WiFi (WiFi RAN)

 Cổng truy cập WiFi (WAG) và hệ thống back-end WiFi

 Các phần tử tích hợp lõi gói (nhiều lựa chọn)

Tổ chức nhiệm vụ WLAN của GSMA đã hoàn thành nghiên cứu một cáchtoàn diện và xác định sự cần thiết đối với việc tiêu chuẩn hóa trong 3GPP Điều

này dẫn đến sự phát triển của một số tiêu chuẩn, chủ yếu dựa trên sự tích hợp lỏngcủa các mạng WiFi với mạng lõi 3GPP Các giải pháp tích hợp chi tiết phụ thuộcvào mạng lõi là mạng lõi UMTS hoặc mạng lõi gói tiên tiến (EPC) Tập các tiêuchuẩn ban đầu là tiêu chuẩn IWLAN (WLAN được tích hợp/liên kết) và là tiêuchuẩn EPC.

Hình 2.1 minh họa kiến trúc giảm tải WiFi Offload, bao gồm các phần tửtích hợp đối với 3G cũng như LTE

Hình 2.1: Kiến trúc hạ tầng mạng WiFi để giảm tải dữ liệu di động

2.2 Kiến trúc giải pháp IWLAN

Việc tiêu chuẩn hóa IWLAN bắt đầu với một nghiên cứu khả thi ban đầu,trong đó bao gồm một số nghiên cứu của tổ chức nhiệm vụ WLAN của GSMA.Kết quả là dẫn tới một báo cáo kỹ thuật 3GPP, TS 23.234, phiên bản mới nhất làv10.0.0, được ban hành vào năm 2011 Báo cáo về cơ bản mô tả một số kịch bảnliên kết, đánh số từ 1 đến 6 như sau:

Kịch bản 1: Tính cước và chăm sóc khách hàng

Kịch bản 2: Điều khiển truy cập dựa trên hệ thống 3GPP và tính cước

vụ này Đường hầm này được điều khiển bởi nhà cung cấp dịch vụ cố định ISP.

2.2.1 Kiến trúc IWLAN cho điều khiển truy cập liên tục

TS 23.234 cung cấp một giải pháp cho các kịch bản liên kết 1 và 2 Hình2.2 là một phiên bản đơn giản từ 23.234, trong đó máy chủ AAA 3GPP thực hiệnxác thực và cấp phép người sử dụng cần thiết cho cả dịch vụ truy cập mạngWLAN và 3GPP Hai loại khác nhau của các dịch vụ truy cập IP được cung cấpcho người sử dụng là "truy cập IP 3GPP" và "truy cập IP trực tiếp" Truy cập IP3GPP đề cập đến việc truy cập tới các dịch vụ dữ liệu gói 3GPP, như MMS, video

di động, cũng như các dịch vụ Internet, trong khi truy cập IP trực tiếp dùng đểtruy cập trực tiếp đến Internet hoặc các mạng Intranet

Hình 2.2: Kiến trúc IWLAN cho điều khiển truy cập liên tục

Một trong những mục tiêu chính của các giải pháp IWLAN là để đạt đượcxác thực mà không cần sự can thiệp của hướng dẫn sử dụng, như cần đánh vàomột mật khẩu người sử dụng trong các mạng WiFi Điều này có thể được thựchiện bằng cách phát triển các giao thức xác thực dựa trên việc sử dụng các thẻSIM, đã được cung cấp trong các thiết bị cầm tay 3GPP Ngoài việc cung cấp xácthực một cách trong suốt cho người sử dụng, các phương pháp xác thực dựa trênSIM cũng quen thuộc với các nhà khai thác 3GPP và cung cấp cùng một mức độbảo mật như các thiết bị 3GPP Bởi vì xác thực dựa trên SIM được thực hiện quacác mạng WLAN là các mạng IP, các giao thức xác thực cơ bản 3GPP được sửađổi và được gọi là EAP-SIM, EAP-AKA và giao thức EAP-AKA’, đã được chuẩnhóa bởi IETF Các mạng IP cũng sử dụng các phương pháp xác thực dựa trênchứng thư người sử dụng, cũng được chuẩn hóa thành các giao thức EAP-TLS vàEAP-TTLS cho việc xác thực dựa trên WLAN

Đối với các dịch vụ truy cập IP, truy cập 3GPP-IP được cung cấp bởi haithực thể chức năng được gọi là WAG và PDG

 Cổng truy cập WLAN (WAG)

Cổng truy cập WLAN chịu trách nhiệm cho việc định tuyến dữ liệu đến/từmạng truy cập WLAN và cổng dữ liệu gói Nó là nút đầu tiên tương tác với mạngWiFi Cổng truy cập WLAN có nhiều chức năng Các chức năng quan trọng củaWAG gồm:

 Đảm bảo rằng các gói tin được định tuyến đến cổng dữ liệu gói(PDG).

 Hỗ trợ cơ chế QoS nếu chúng được áp dụng Điều này sẽ cho phépcác nhà khai thác đảm bảo băng thông nếu người dùng sử dụng dịch

vụ như vậy

 Loại bỏ các gói dữ liệu không được chuyển tiếp đến PDG Điều này

sẽ giảm tải trên PDG và các mạng dữ liệu gói

Cuối cùng, WAG thực hiện chức năng liên quan đến tính cước, như đượcthiết lập bởi nhà khai thác, và truyền thông với hệ thống tính cước 3GPP, trong đó

có hai loại, cụ thể là offline (đối với khách hàng trả sau) và online (đối với kháchhàng trả trước và kiểm tra giới hạn sử dụng)

 Cổng dữ liệu gói (PDG)

PDG là cổng đến một mạng dữ liệu gói cụ thể, chẳng hạn như Internet haymạng dịch vụ của một nhà khai thác Rõ ràng, mạng 3GPP có thể hỗ trợ nhiềuPDN và do đó nhiều PDG, đối với các loại dịch vụ khác nhau PDG thực các chứcnăng chính sau:

 Chịu trách nhiệm xác thực thiết bị di động và cấp phép tới các dịch

vụ được lựa chọn

 Xem xét và gán địa chỉ IP cho các thiết bị di động

 Duy trì thông tin định tuyến cho các thiết bị di động

 Lọc ra lưu lượng truy cập trái phép

 Tạo ra thông tin tính cước liên quan đến lưu lượng dữ liệu người sửdụng

 Áp dụng các cơ chế QoS cho phép các nhà khai thác cung cấp điềukhiển dựa trên chính sách cho người sử dụng và các kiểu lưu lượngkhác nhau

 Định tuyến lưu lượng đến/từ các mạng dữ liệu gói Dịch vụ chấtlượng cao (ví dụ như video độ nét cao) có thể sử dụng mạng chấtlượng cao, trong khi các dịch vụ yêu cầu ít hơn (ví dụ như đọcemail) sẽ sử dụng Internet nỗ lực tốt nhất

Nếu mạng WiFi được sử dụng để giảm tải dữ liệu di động nó cần phải chú ýcác nhiệm vụ sau:

 Xác thực: Đảm bảo rằng chỉ các thuê bao được cấp phép có thể truycập vào mạng

 PCC: Đảm bảo mục đích tính cước chính xác, chất lượng dịch vụ(QoS), và thực thi chính sách cho lưu lượng truy cập được tạo ra quatruy cập WiFi, lý tưởng tương thích với 3GPP PCC

 Duy trì IP: Đảm bảo tính di động dịch vụ giữa các mạng truy cậpkhác nhau (3G đến WiFi, WiFi đến 3G, hoặc giữa các mạng WiFi)

2.2.1.1 Xác thực

Để điều khiển thuê bao truy cập tới các mạng WiFi, nhiều phương pháp xácthực có thể được sử dụng Việc lựa chọn phương pháp là rất quan trọng cho khảnăng sử dụng của mạng Phương pháp xác thực càng trong suốt hơn cho các thuêbao, càng nhiều khả năng thuê bao sẽ kết nối vào mạng

Phương pháp xác thực cũng xác định các loại thuê bao và thiết bị có thể cóđược đánh địa chỉ trong một mạng cụ thể (các thuê bao có hoặc không có thẻ SIM,thuê bao của nhà khai thác, thuê bao tạm trú, )

Trong một mạng WiFi hiện đại điển hình, có hai kiểu xác thực để đánh địachỉ tất cả các thuê bao có thể có, đồng thời cung cấp việc truy cập thuận tiện vàomạng cho người thường xuyên sử dụng WiFi Phương pháp đầu tiên, xác thực dựatrên cổng thông tin, có mục tiêu là khách hàng không cần một hợp đồng cố địnhvới nhà khai thác (chứng từ, truy cập giới hạn thời gian, thanh toán SMS, ).Phương pháp thứ hai, xác thực EAP cung cấp truy cập dễ dàng và trong suốt chocác thuê bao của chính nhà khai thác bằng thẻ SIM hoặc các chứng thư

 Xác thực dựa trên cổng thông tin

Xác thực dựa trên cổng thông tin phụ thuộc vào kết nối lớp 3 tới mạng vàtruyền thông HTTP trước khi cấp quyền truy cập cho các thuê bao Tiêu chuẩnchuyển vùng nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây (WISPr) cũng sử dụngtruyền thông HTTP với cổng thông tin để xác thực tự động, với thiết bị ngườidùng sử dụng truyền thông HTTP cơ bản mà không có sự can thiệp của người sửdụng (Hình 2.3)