Tìm hiểu về xu hướng phát triển thông tin di động 4G

Tài liệu tham khảo chuyên ngành viễn thông Tìm hiểu về xu hướng phát triển thông tin di động 4G

Cùng với khả năng truyền thông di động ngày càng được mở rộng nhờ sự phát triển của thông tin vô tuyến thì các hệ thống di động mới ra đời và được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G trong khi mạng tế bào di động 3G đã trở nên phổ biến và chuẩn bị được thay thế bởi một thế hệ mạng có khả năng khắc phục tất cả các nhược điểm của 3G, bao gồm một lượng lớn mạng truy cập, cung cấp kết nối tất

cả các người dùng ở bất kỳ đâu, tại bất kỳ thời điểm nào Đó chính là thông tin di động thế hệ 4G Với tất cả các lợi thế và ưu điểm đã làm cho 4G trở thành thế hệ mạng không dây lôi cuốn trong tương lai

Chính vì vậy em đã chọn đề tài Tìm hiểu về xu hướng phát triển thông tin di động 4G để nghiên cứu sâu về các giải pháp mạng không dây với hi

vọng 4G sẽ là một hệ thống di động tối ưu trong tương lai gần, và mô hình thực thi 4G tại Việt Nam trở thành hiện thực

THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 3

1.1 Tổng quan về thông tin di động 3

1.2 Thông tin di động thế hệ 4 4

CHƯƠNG 2: WLAN 7

2.1 Giới thiệu WLAN 7

2.2 Chuẩn IEEE 802.11 7

2.2.1 Kiến trúc chung IEEE 802.11 8

2.2.1.1 Cấu trúc hệ thống 9

2.2.1.2 Đặc tính cơ bản của hệ thống 9

2.2.1.3 Lớp vật lý 11

2.2.1.4 Lớp MAC 12

2.2.1.5 Cấu trúc MAC 13

2.2.1.6 Khả năng kết hợp 18

2.2.1.7 Chứng thực và bảo mật 19

2.2.1.8 Phân đoạn 20

2.2.1.9 Cơ chế đồng bộ 20

2.2.1.10 Di động 21

2.2.1.11 Khả năng lưu trữ 21

2.2.1.12 Khả năng hỗ trợ 23

2.3 HIPERLAN-2 23

2.3.1 Giới thiệu 23

2.3.2 Cấu trúc chung của HIPERLAN 23

2.3.3 Cấu trúc hệ thống HIPERLAN-2 25

2.3.4 Đặc tính cơ bản của hệ thống 26

2.3.5 Lớp vật lý 27

2.3.6 Lớp DCL 27

2.3.6.1 Lớp MAC 31

2.3.6.2 Thao tác MAC 31

Hệ th ố ng thông tin di độ ng 4G

Mục lục Trang Lời mở đầu 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ

2.3.6.3 Khung MAC 32

2.3.6.4 Địa chỉ MAC 33

2.3.6.5 Truy cập tới RCH 33

2.3.7 Các DCL khác 33

2.3.8 Handover 36

2.3.9 CL 38

2.3.10 Hỗ trợ QoS trong HIPERLAN-2 38

2.4 MMAC-PC 39

2.5 Triển khai cơ sở hạ tầng IEEE 802.11 41

2.5.1 Băng ISM và phân bố kênh 41

2.5.2 Tín hiệu, nhiễu và vùng phủ sóng 44

2.5.3 Tín hiệu và nhiễu trong băng tần ISM 44

2.5.4 Vùng phủ sóng 46

2.5.5 IEEE 802.11 cho không gian tự do 48

CHƯƠNG 3: WPANs 50

3.1 Giới thiêu 50

3.2 Một số khái niệm 52

3.3 Tổng quan Bluetooth 53

3.3.1 Cấu trúc Bluetooth 53

3.3.2 Mô hình tham chiếu giao thức Bluetooth 54

3.3.3 Tổng quan về giao thức lõi Bluetooth 56

3.3.3.1 Lớp radio Bluetooth 56

3.3.3.2 Lớp dải gốc 56

3.3.3.3 Lớp giao thức quản lý kết nối (LMP) 66

3.3.3.4 Lớp điều khiển giao thức kết nối và giao thức thích nghi 66

3.3.3.5 Lớp giao thức phát hiện dịch vụ (SDP) 67

3.4 PAN 68

3.4.1 Nguyên lý cấu trúc 68

3.4.2 Giao diện 71

3.4.3 Giao tiếp với mạng bên ngoài 71

3.5 Mạng Ad Hoc 71

3.6 Bảo mật 72

3.7 Những ứng dụng chính và khả năng hình thành mạng 72

3.8 Các thiết bị trong hệ thống 73

3.9 Những thách thức đối với PAN và những vấn đề mở rộng 74

3.10 B-PAN 75

3.11 WLAN và WPAN 76

3.12 Tóm lại 78

CHƯƠNG 4: SỰ HÌNH THÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 79

4.1 Giới thiệu 79

4.2 WAL 79

4.3 Cấu trúc WAL 80

4.4 Dịch vụ báo hiệu WAL 81

4.4.1 Một vài định nghĩa 82

4.4.1.1 Hoạt động của WAL 82

4.4.1.2 Khuôn dạng tiêu đề WAL 82

4.4.1.3 Thủ tục đăng ký 83

4.4.2 Sự thiết lập association 86

4.4.3 Dữ liệu 88

4.4.4 Thủ tục tái thiết lập sự kết hợp 89

4.4.5 Danh sách PDU 91

Kết luận 94

Cùng với sự phát triển của thông tin vô tuyến, thì trong mỗi thập niên có một

hệ thống di động mới phát triển và được áp dụng rộng rãi trên thế giới Khi thế hệ2G hiện hữu, việc xuất hiện mạng tế bào di động 3G thì đó chỉ là một trong những thay đổi nhỏ về công nghệ từ phía cơ sở hạ tầng IP di động Tuy nhiên hệ thông tin

di động 3G sẽ đáp ứng được việc thực hiện đa phương tiện hay nói khác đi là cơ sở

hạ tầng IP không đủ năng lực Để khắc phục các nhược điểm này, thế hệ 4G đã được định nghĩa Với một số chuẩn mới được đưa ra thì hệ thống 4G trở nên dễ hiểu bởi khái niệm các mạng không đồng nhất, bao gồm một số lớn mạng truy cập với một nguyên tắc chung là giao thức IP, cung cấp kết nối tất cả các người dùng ở bất

kỳ đâu tại bất cứ thời điểm nào

Chương 1 Tổng quan về thông tin di động và hệ thống

thông tin di động 4G

1.1 Tổng quan về thông tin di động

Thông tin di động dựa trên nền tảng mạng không dây phát triển theo biểu đồ

số mũ trong thập niên qua với những cơ sở hạ tầng và các ứng dụng rộng rãi như thiết bị vô tuyến, máy tính sách tay v v Những thiết bị này ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống của chúng ta Một ví dụ cụ thể: người dùng có thể kiểm tra email và truy cập mạng Internet nhờ các thiết bị di động của họ Từ những thiết bị như máy tính sách tay, họ có thể tìm kiếm thông tin trong mạng Internet tại các địa điểm khác nhau như sân bay, nhà ga hay những nơi công cộng khác Các khách du lịch có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối GPS đặt trong nhà hay trong ô tô để định vị

và thiết lập bản đồ đường đi Những hồ sơ, dữ liệu hoặc các thông tin khác có thể được trao đổi bởi các máy tính sách tay thông qua mạng LAN không dây (WLAN).Không chỉ các thiết bị di động trở nên nhỏ hơn, rẻ hơn, tiện lợi hơn, mà cácứng dụng của nó cũng trở nên mạnh hơn và được áp dụng rộng rãi hơn

Theo khuynh hướng này thì hầu hết các kết nối những thiết bị vô tuyến được thực hiện thông qua các nhà cung cấp dịch vụ cố định dựa trên cơ sở hạ tầng mạng

cá nhân và các MSC trong mạng tế bào như vậy các máy tính sách tay có thể nối tới Internet không dây thông qua các điểm truy cập

Mặc dù những mạng có cơ sở hạ tầng đã cung cấp một lượng lớn các dịch vụ mạng cho các thiết bị di động nhưng nó mất rất nhiều thời gian để thiết lập cơ sở hạ tầng mạng thích hợp với các dịch vụ của mạng di động và tất nhiên là giá thành để thiết lập cơ sở hạ tầng này là rất cao Hơn nữa, thời điểm thiết lập là bất kỳ lúc nào khi có yêu cầu từ một thiết bị di động truy cập mạng mằm trong vùng phủ sóng Việc cung cấp các dịch vụ kết nối mạng đã đặt ra yêu cầu cần phải có một mạng di động đặc biệt

Để giải quyết vấn đề đó, sự phát triển của công nghệ và các chuẩn ra đời nhằm thay thế các chuyển giao kết nối mới với việc cho phép những thiết bị di động nằm trong cự li truyền dẫn có thể kết nối với nhau thông qua việc tự động thiết lập một mạng di động đặc biệt với tính linh hoạt cao Đây là khả năng thiết lập mạng động.Trong khi mạng không dây tiếp tục phát triển thì khả năng đặc biệt này trở nên quan trọng hơn Với các giải pháp công nghệ mà có thể là sử dụng các lớp khác nhau, các giải thuật và các nghi thức cần cho thao tác cầu hình mạng, tất cả đã thúc đẩy hình thành cấu trúc mạng di động 4G.

1.2 Thông tin di động thế hệ 4

4G là một mạng toàn cầu tích hợp dựa được xây dựng theo mô hình hệ thống

mở Việc tích hợp các mạng không dây khác nhau cho phép truyền đa phương tiện

dữ liệu, tiếng nói, đa dịch vụ trên nền tảng IP (đây chính là tiêu điểm chính của 4G) Cùng với sự sử dụng dải thông utrahight lên tới 100Mbps, những dịch vụ đa phương tiện được hỗ trợ một cách hiệu quả Hình 1.1 minh hoạ những thành phần bên trong cấu trúc mạng 4G

Hình 1.1Cấu trúc mạng di động 4G

4G được tích hợp những topo và các nền tảng mạng khác nhau Trong hình 1.1

sự hợp nhất nhiều kiểu mạng được chồng lên những ranh giới mạng khác nhau Có hai kiểu hợp nhất: đó là sự hợp nhất những mạng không dây hỗn hợp với đặc trưng truyền đạt không dây của mạng LAN, WAN, PAN cũng như những mạng di động đặc biệt khác Sự hợp nhất thứ hai bao gồm sự tích hợp của những mạng không dây

và mạng cố đinh (như Internet và PSTN)

4G được bắt đầu với giả thiết rằng mạng trong tương lai sẽ sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói (đây sự phát triển từ những giao thức đang được sử dụng trong mạng Internet hiện tại) Mạng di động 4G dựa trên nền tảng IP có những lợi thế cơ bản bởi vì IP thích hợp và độc lập với công nghệ truy cập vùng phủ sóng Điều đó

có nghĩa là mạng 4G được thiết kế và có thể phát triển độc lập từ những mạng truycập

Việc sử dụng một lõi mạng trên nền tảng IP cũng có nghĩa thoả mãn đa dịch

vụ như tiếng nói dữ liệu hay được hỗ trợ bởi việc sử dụng một tập hợp VoIP với những giao thức như MEGACOP, MGCP, H.323 và SCTP Sự phát triển này giúp đơn giản hoá việc bảo trì các mạng riêng biệt nhau

Hệ thống 4G được chờ đợi vì có giá thành rẻ hơn và đơn giản hơn Trước hết, giá thiết bị được rẻ hơn 4 đến 10 lần một trạm có chức năng tương đương của hệ thống 2 hoặc 3G Một môi trường truyền dẫn IP không dây sẽ làm giảm bớt cho quá trình bảo trì mạng

Hệ thống 4G còn được ưu việt hơn với tốc độ truyền dẫn Utrahight lên tới100Mbps nhanh hơn 50 lần so với tốc độ truyền dẫn của mạng 3G Điều này cho phép truyền các dịch vụ không dây với dải thông cao, người dùng có thể xem TV, nghe nhạc, truy cập mạng, hay thực hiện truyền các luồng hình ảnh thời gian thực

và các ứng dụng đa phương tiện khác kể cả khi đang ở nhà, trong văn phòng hay nơi công cộng

4G có khả năng hỗ trợ việc người dùng truy nhập thông tin hoặc giao tiếp với người dùng khác vào bất kỳ thời điểm nào, ở bất cứ đâu và sử dụng bất kỳ thiết bị

di động nào

Mạng Ad hoc là một phần quan trọng trong hệ thống 4G được thiết lập động bởi các nút mạng di động tuỳ ý mà không cần sử dụng cơ sở hạ tầng mạng hiện hữu

hay quản lý tập trung Mạng này cho phép các nút không dây tồn tại độc lập, cung cấp một phạm vi nối mạng rộng hơn và khả năng sử lý lớn hơn Các nút cũng có thể kết nối tới các mạng cố định thông qua một thiết bi trung gian có cổng dành riêng.Thiết bị đầu cuối của mạng 4G cho phép hỗ trợ thông minh với khả năng định

vị và tìm kiếm dịch vụ theo yều cầu người dùng ngay cả khi người đó đang chuyển động tại bất cứ thời điểm nào

Tất cả các lợi thế này làm cho mạng Ad hoc trở nên lôi cuốn trong thế hệmạng di động tương lai

đề sẽ dễ dàng hơn về phía 4G.

Thực thể cho phép tiếp cận hai đối tượng này là lớp thích nghi không giây (WAL) và đã thực nghiệm thành công qua cơ sở hạ tầng như là HIPERLAN, IEEE 802.11b và Bluetooth Những mục sau của chương này giới thiệu những khía cạnh đặc biệt nhất của cấu trúc WAL, hi vọng hệ thống mạng này thật sự cho phép chúng ta khẳng định 4G đã được đạt đến

2.2 WAL

WAL hoạt động trên giao thức TCP/IP thông qua mạng dây WAL đã khắc phục những nhược điểm của giao thức TCP và UDP nhờ đặc tính truyền không dây qua giao thức vận chuyển Như vậy thay vì sửa đổi các giao thức hiện hữu, WAL thực hiện thích nghi được đặt giữa lớp IP và cơ sở hạ tầng không dây bên dưới Bằng cách này, WAL có thể đáp ứng các kênh đặc biệt theo cách cho phép giao thức truyền vận hành mode làm việc bình thường

WAL là một phần của QoS yêu cầu bởi IP (trường ToS trong tiêu đề IP đã

đề cập ở chương 3), chức năng của nó có thể cung cấp các dịch vụ thích hợp Nếu lớp IP không thực hiện cơ chế QoS, lớp WAL sẽ sử dụng cách nhận diện kiểu lưu thông ( theo giao thức) để phân biệt những ứng dụng khác nhau Theo cách này, WAL sẽ bổ xung cách sử lý hiện thời của QoS trong mạng IP, IntServ và Diffserv

Khi thiết kế mạng WAL cần chú ý tới các yếu tố liên quan sau:

Sự thích nghi trạng thái của các kênh quan sát Trạng thái kênh không dây luôn luôn thay đổi vì thế WAL sẽ áp dụng một sơ đồ thích nghi kéo theo những modul thích hợp cho mỗi kiểu dịch vụ và sẽ sửa đổi các thông số làm việc (thông

số dụng lượng trong modul FEC) Bởi vậy thông tin về kênh truyền do WAL nhận được sẽ được sử dụng và thông tin này được trao đổi giữa những thực thể truyềnnó

QoS yêu cầu bởi IP: IP sử dụng sơ đồ end-to-end QoS cả trong quá trình định tuyến và trong máy PC (đây là phiên bản mới nhất của Linux để hợp nhất những tuỳ chọn điều khiển lưu lượng) WAL hoàn thành ứng dụng này theo kiểu thiết lập bản đồ lưu lượng giúp tương thích các dịch vụ

những nmodul còn lại, cho phép chúng truy cập vào bảng cấu trúc Hơn nữa nó sẽ giao tiếp với các WAL từ xa khác với mục tiêu đồng bộ hoá truyền thông giữa chúng.

Một modul quan trọng khác của WAL là QoS, modul này giúp phân loại các gói truyền đến và đi cho những lớp thấp hơn dựa trên yêu cầu của các gói

Chức năng của WAL không phụ thuộc vào cấu trúc mạng không dây sử dụng, mà nó cần một thực thể làm trung gian, đó chính là bộ chuyển đổi điều khiển liên kết logic (LLTC) LLTC làm nhiệm vụ thực hiện tất cả các chức năng cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác Phải chú ý rằng modul này cho phép các cơ sở hạ tầng mạng vận hành với nhau Tại mức cao, WAL cung cấp một kiến trúc các chuẩn không dây khác nhau để có thể hợp nhất và truyền thông với nhau Những đặc tính khác nhau như là chức năng bắc cầu có thể được bổ xung trong lớp này Việc thể hiện giao thức mạng Bluetooth trong hiện trạng PAN Bluetooth đã cung cấp một giao diện thông minh giữa Bluetooth và IP Khái niệm WAL đã trở thành một phần kiến trúc thú vị

Một bộ nguồn nuôi với những đặc trưng khác nhau của từng modul cũng được sử dụng, thay đổi thích hợp với từng kiểu lưu thông WAL sử dụng những yêu cầu của mỗi gói mà nó quản lý để kích hoạt những thực thể tương ứng và đáp ứng các thông số làm việc của chúng Các thông số này phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền của chúng tại bất kỳ thời điểm nào

Những thực thể còn lại ( trong hình 4.1) được sử dụng trong hệ thống giúp quá trình vận hành dễ dàng hơn, (ví dụ như hệ thống các file và bảng cấu trúc) hoặc đưa ra các chức năng mở rộng cho WAL (như modul giao thức quản lý mạng đơn giản SNMP) Nhưng đây không phải là chức năng cớ bản của nó

2.4 Dịch vụ báo hiệu WAL

Giao thức truyền thông giữa những thực thể WAL được miêu tả bởi thuật ngữ trao đổi nguyên thuỷ Những tham số của thực thể WAL :như các PDU đáp ứng, các kiểu vận hành cơ bản, hay các thủ tục sử dụng trong hàm của nó cũng sẽ được mô tả chi tiêt

2.4.1 Một vài định nghĩa

Chức năng của giao thức được dựa trên hai khái niệm đó là lớp và

association

• Lớp: lớp A bao gồm một tập các modul WAL với chức năng cung cấp

các dịch vụ cho lớp cao hơn Nó được định nghĩa từ trường ToS của tiêu

đề IP hoặc kiểu giao thức ( TCP hay UDP) Đây là một khái niệm chung trong WAL, độc lập với trạng thái của các kênh không dây Một loạt các lớp chung được định nghĩa giúp các thực thể WAL sử dụng các modul tương ứng với các gói thuộc về chúng

• Association mỗi modul thích nghi với chức năng (thay đổi thông số hệ

thống) của nó phụ thuộc vào trạng thái của kênh tại thời điểm bất kỳ vì vậy sẽ là rất cần thiết để đưa ra khái niệm association Khái niệm này được định nghĩa như sự kết hợp địa chỉ IP của đầu cuối di động (được định nghĩa là trạng thái kênh) với một lớp mạng

2.4.1.1 Hoạt động của WAL

Liên kết lớp cung cấp hai kiểu dịch vụ đó là: kết nối định hướng và kết nối không định hướng Để đáp ứng một vài yêu cầu QoS thì sự lựa chọn thích hợp nhất chính là kết nối định hướng Trong trường hợp này, những kết nối dựa trên chồng giao thức TCP/IP được xác định bởi sự kết hợp các địa chỉ IP của cổng nguồn và đích Quá tải sẽ sảy ra khi một vài ứng dụng không được chấp nhận (ví

dụ như việc truy cập trang Web tạo ra một vài kết nối TCP)

Sẽ thích hợp hơn nếu thực hiện WAL theo sơ đồ association-oriented Bằng cách này, mỗi lần gói gói dữ liệu IP đáp ứng cho một association không tồn tại

tới WAL thì một quá trình thoả thuận được diễn ra ở đó Nếu yêu cầu được đáp

ứng, thì một association được hình thành Association này định nghĩa sự kết hợp

những modul và những tham số của chế độ làm việc sẽ được áp dụng tức thì đến tất cả các gói dữ liệu IP thuộc về nó

2.4.1.2 Khuôn dạng tiêu đề WAL

Tất cả các gói được sử lý bởi WAL sẽ mang một tiêu đề kết hợp (như hình4.2)