Tìm hiểu mạng femtocell

Tìm hiểu mạng femtocell Trong mạng thông tin di động tế bào, sóng rađio được phủ nhờ vào các trạm phát sóng BTS. Mỗi một BTS sẽ phủ một vùng gọi là cell (tế bào). Nhiều cell được thiết kế cận kề nhau để phủ sóng trên diện rộng. Chính vì cấu trúc này mà mạng thông tin di động còn được gọi là mạng tế bào hay mạng tổ ong. Trong mạng thông tin di động tế bào truyền thống, chúng ta thường nghe nhắc đến macrocell (tế bào vĩ mô, có bán kính phủ lớn tầm km), microcell (tế bào vi mô, có bán kính phủ giới hạn vài trăm mét). Với sự phát triển của mạng thông tin đi động tế bào, người ta còn thiết kế các picocell (vùng phủ tương tự như một AP WiFi) để tăng khả năng của hệ thống và tăng tốc độ truyền thông.

Femtocell là gì ?

Trong mạng thông tin di động tế bào, sóng rađio được phủ nhờ vào các trạm phát sóng BTS Mỗi một BTS sẽ phủ một vùng gọi là cell (tế bào) Nhiều cell được thiết kế cận kề nhau để phủ sóng trên diện rộng Chính vì cấu trúc này mà mạng thông tin di động còn được gọi là mạng tế bào hay mạng tổ ong Trong mạng thông tin di động tế bào truyền thống, chúng ta thường nghe nhắc đến macrocell (tế bào vĩ mô, có bán kính phủ lớn tầm km), microcell (tế bào vi mô, có bán kính phủ giới hạn vài trăm mét) Với sự phát triển của mạng thông tin đi động tế bào, người ta còn thiết kế các picocell (vùng phủ tương tự như một AP WiFi) để tăng khả năng của hệ thống và tăng tốc độ truyền thông

Gần đây, khái niệm femtocell mới được ra đời.Femtocell là một trạm phát sóng nhỏ của mạng thông tin di động tế bào được dùng để nâng cao chất lượng dịch vụ và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng ở phạm vi gia đình hay văn phòng, công sở Femtocell được xem như trạm phát sóng trong nhà (home base station) hay điểm truy nhập mạng tế bào giống điểm truy nhập WiFi Femtocell là cổng kết nối của mạng thông tin di động tế bào đặt tại nhà khách hàng Sự khác biệt lớn của femtocell so với các macrocell hay microcell truyền thống là femtocell kết nối với mạng của nhà cung cấp dịch vụ thông qua mạng cố định băng rộng như DSL hay cáp, thay vì thông qua mạng riêng của nhà cung cấp dịch vụ di động

Femtocell là một giải pháp cho hội tụ cố định – di động, cung cấp kết nối tốc độ cao cho người dùng trong nhà Những tiềm năng về dịch vụ đa phương tiện trong tương lai chính là đòn bẩy cho việc triển khai femtocell Đây là một giải pháp thay thế cho giải pháp hội tụ cố định-di động UMA (Unlicensed Mobile Access) hiện gặp không ít khó khăn trong việc thu hút người dùng Sự khác biệt lớn nhất giữa UMA và femtocell là femtocell sử dụng cùng giao diện vô tuyến như mạng thông tin di động thay vì dùng WiFi Do vậy, người dùng femtocell không nhất thiết phải trang bị điện thoại dual-mode (có thể kết nối với WiFi và GSM/UMTS)

Động lực cho giải pháp femtocell

Theo nghiên cứu gần đây của ABI Research thì đến hết năm 2011, sẽ có hơn 70 triệu femtocell được bán ra thị trường, cung cấp dịch vụ cho khoảng 150 triệu người Con số này tương đương với một phần ba doanh thu của thị trường Wi-Fi, tức tầm 2 tỷ đôla Còn theo một dự báo của công ty tư vấn OVUM thì riêng ở Tây Âu, tính đến 2011 sẽ có khoảng 11 triệu femtocells được cài đặt Thực tế cho thấy có hơn 30% cuộc gọi di động và hơn 35% người dùng dịch vụ Tivi di động khi đang ở tại nhà

Lợi ích mà công nghệ hứa hẹn mang đến cho người dùng:

• Giảm chi phí gọi điện thoại di động tại nhà

• Có một kết nối tốt, chất lượng dịch vụ tốt hơn, tốc độ cao hơn

• Tiết kiệm năng lượng tiêu tốn

• Cuối tháng chỉ cần chi trả một hóa đơn duy nhất cho cả điện thoại cố định và di động

• Nhiều người có thể cùng dùng chung một femtocell (femtocell hiện tại có thể hỗ trợ đồng thời 5-6 kết nối di động )

Lợi ích cho nhà cung cấp mạng di động:

• Cạnh tranh cũng như giảm mối đe dọa từ các dịch vụ VoIP của nhà cung cấp dịch vụ Internet

• Tăng sự trải nghiệm của khách hàng và giảm việc khách hàng bỏ sang dùng mạng của nhà cung cấp khác

• Tăng chất lượng phủ sóng trong các công trình cũng như tăng dung lượng và các dịch vụ giá trị gia tăng cho người dùng

• Tăng doanh thu bình quân của một thuê bao/tháng ARPU

Khuyến khích người dùng sử dụng 3G hay WiMAX, từ đó tăng số thuê bao 3G, WiMAX trong tương lai

Như vậy, giải pháp femtocell hứa hẹn mang lại lợi nhuận và tiện ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ lẫn người sử dụng dịch vụ

Các giải pháp cho phép kết nối từ femtocell đến mạng lõi di động (core network –CN)

Trong mạng thông tin di động thế hệ thứ 3G UMTS, các trạm phát sóng Node B (bao gồm các macro-cell, micro-cell hay cả pico-cell) kết nối trực tiếp với khối điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) bằng đường truyền dành riêng như E1/T1 Các RNC ghép các lưu lượng dữ liệu từ các Node B trước khi gửi chúng đến mạng lõi di động RNC phân phát lưu lượng thoại (của mạng chuyển nối mạnh) đến các tổng đài MSC (Mobile Switching Center) thông qua giao diện Iu-CS và dữ liệu gói (của mạng chuyển nối gói) đến SGSN (Serving GPRS Support Node) thông qua giao diện Iu-PS

Vì lý do giá thành và tiện lợi sử dụng, femtocell phải đáp ứng tính năng cắm và chạy (plug-and-play) giống như cách mà người ta cài đặt và sử dụng một trạm truy nhập WiFi Trong tương lai, hàng ngàn femtocell sẽ được nối kết với kiến trúc mạng lõi di động thông qua mạng công cộng Internet Điều này đặt ra bài toán về khả năng mở rộng (scalability), tính bảo mật và sự chuẩn hóa của các thiết bị và giải pháp Dưới đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu 4 giải pháp đã được đề nghị để kết nối thiết bị femtocell đến mạng lõi di động

a) Kiến trúc dựa trên UMTS

Giải pháp đầu tiên đi theo hướng giữ nguyên hạ tầng mạng nằm phía sau RNC Việc liên lạc từ các femtocell về mạng lõi sẽ thực hiện bằng đường hầm IP được bảo mật thông qua mạng IP băng rộng công cộng Chúng ta có thể phân ra 2 loại: Iub trên IP (nếu đường hầm IP được thiết lập giữa femtocell và RNC) và Iu trên IP (nếu đường hầm được thiết lập giữa RNC và

MSC/SGSN) Trong khung giải pháp này, Iu-concentrator (còn được gọi là Femtocell Aggregator hay Femtocell Gateway – FGW) được đề nghị để như điểm tập trung lưu lượng thông tin từ hàng nghìn femtocell trước khi đi vào mạng lõi di động để tăng khả năng mở rộng (scalability)

Giải pháp Iub trên IP

Trong giải pháp này, femtocell đóng vai trò của một Node B, còn FGW sẽ nằm giữa femtocell và RNC Giải pháp này thích hợp khi có ít người kết nối với femtocell cùng lúc (ví dụ trong gia đình hay văn phòng ít người) Tùy theo số lượng femtocell kết nối với FGW mà FGW và RNC

có thể thiết kế trong cùng một thiết bị hay 2 thiết bị riêng lẻ Ở đây ta xét trường hợp chúng tách biệt nhau và liên lạc giữa FGW và RNC thực hiện trên giao diện Iub

Giải pháp Iu trên IP

Trong giải pháp này, các femtocell sẽ được tích hợp với mạng lõi di động thông qua các FGW như minh họa ở hình 3 Những chức năng của RNC và Node B sẽ được cài đặt trên femtocell và

do đó femtocell sẽ liên lạc với FGW thông qua giao diện 3G Iu trên IP Số nhận diện của

femtocell trong trường hợp này khi liên lạc với FGW có dạng địa chỉ của một RNC (12 bits) FGW tạo đường hầm cho các thông điệp báo hiệu RANAP từ femtocell đến mạng lõi Nếu mạng lõi không hỗ trợ vận tải IP, FGW sẽ đảm nhiệm việc chuyển đổi giữa truyền tải IP và truyền tải ATM nhờ vào giao thức truyền tải báo tin SIGTRAN

b) Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN

Công nghệ UMA cho phép thực hiện các dịch vụ GSM /GPRS trên các băng tần không cấp phép (sử dụng cho Bluetooth và WiFi) UMA đã được 3GPP chuẩn hóa với tên gọi là công nghệ GAN (Generic Access Network) UMA/GAN đề nghị một thực thể mới gọi là GANC (GAN

controller), hay UNC (UMA Network Controller) để thực hiện các chức năng giống như một bộ điều khiển trạm gốc BSC trong GSM GAN định nghĩa một giao diện Up mới giữa GANC và thiết bị di động UE

c) Kiến trúc dựa trên IMS

Giải pháp này nhằm kết nối femtocell trực tiếp với mạng lõi IMS (IP Multimedia Subsystem) Một giải pháp thay thế trong cùng hướng này là dùng softwitch trong đó các femtocell được kết nối với các softwitch thông qua giao diện SIP (Session Initiation Protocol) Việc kết nối trực tiếp với IMS lõi mang lại nhiều lợi ích như: giảm tải lưu lượng cho mạng lõi di động vì lưu lượng từ các femtocell sẽ không phải đi qua mạng lõi, giảm thời gian truyền tải vì giảm số nút mạng mà một gói thông tin phải đi qua Cuối cùng, đây một giải pháp dài hạn để cung cấp dịch vụ đa phương tiện của IMS trong tương lai

Như đã trình bày ở trên, rõ ràng có nhiều cách để tích hợp hàng nghìn femtocells với mạng lõi di động Mỗi giải pháp có những điểm mạnh và những điểm yếu riêng, có sức hấp dẫn riêng đối với từng nhóm nhà cung cấp dịch vụ Trong mọi trường hợp, phần cứng của femtocell sẽ không thay đổi, chỉ có phần mềm và giao diện báo hiệu mà femtocell phải hỗ trợ là thay đổi Do đó khả năng nâng cấp phần mềm từ xa ở femtocell là một yếu tố cần thiết Việc tồn tại nhiều giải pháp kiến trúc dẫn đến yêu cầu về tương vận giữa các thiết bị, các giải pháp

Những người trong cuộc chạy đua…

Thị trường femtocell đang dần nóng lên và hầu như nhiều công ty sản xuất thiết bị, nhiều nhà cung cấp mạng cũng không muốn bỏ lỡ phần bánh của mình Danh sách này ngày càng dài ra Nhà sản xuất thiết bị Netgear và Nokia đã thông báo sẽ phối hợp để cho ra đời những bộ định tuyến tất cả trong một tích hợp femtocell và cả Wi-Fi Orange và Vodafone cũng khẳng định họ

đã gửi RFP (request for proposal) từ giữa năm 2007 biết rằng họ vẫn đang thương mại loại hình điện thoại Unik Gã khổng lồ Google cũng đã đầu tư 25 triệu đô la cho công ty sản xuất thiết bị Ubiquisys để sản xuất các trạm phát sóng tại gia femtocell

Về phía Motorola mọi chuẩn bị gần như đã hoàn tất Những thử nghiệm femtocell với mạng 3G với nhiều nhà cung cấp mạng ở Châu Âu đã cho những kết quả như mong đợi Motorola cũng đã tiến hành thử nghiệm với Softbank ở Nhật Huawei cũng đã thử nghiệm femtocell với Telefonica O2 ở Tây Ban Nha và Anh quốc Alcatel-Lucent đã ký hợp đồng với Sagem để cùng nhau sản xuất và thương mại hóa các ăng-ten femtocell Erisson thì cho biết họ đã nhận được những đơn đặt hàng về femtocell nhưng là femtocell cho 2G

Bouygues Telecom (nhà cung cấp mạng của Pháp) đã chọn giải pháp của Nokia Siemens

Networks để cải tiến vùng phủ sóng GSM cho thuê bao của Bouygues bên trong các toà nhà, trong các công ty, dưới tầng hầm và xung quanh các trạm phát sóng Wi-Fi Những thử nghiệm ban đầu đã thành công và hiện tại giải pháp này đã sẵn sàng để triển khai

Ở Mỹ, Sprint Nextel đã là người đầu tiên thương mại hóa femtocell Họ đã triển khai femtocell cho người dùng ở Denver và Indianapolis Chắc chắn Sprint Nextel sẽ tiếp tục mở rộng việc triển khai femtocell trong năm nay Thiết bị femtocell của họ được cung cấp bởi Samsung, được bán với giá 50 đôla cho khách hàng Đối với người dùng đơn lẻ, họ chỉ phải trả thêm 15 đôla hàng tháng để dùng điện thoại không giới hạn Nếu người dùng femtocell cho quy mô gia đình (2-5 người) thì họ phải trả 30 đôla/tháng

Theo Idate, việc triển khai femtocell cho mạng 3G UMTS trong năm 2008 sẽ rất hạn chế vì các chuẩn cho giải pháp này chưa sẵn sàng cũng như việc tích hợp femtocell vào mạng cố định sẽ gặp không ít khó khăn Do vậy, theo họ thì thị trường femtocell sẽ chỉ có thế khới sắc ở 2009 hoặc 2010 Cũng theo Idate, những nhà cung cấp mạng đầu tiên triển khai femtocell ở Châu Âu

sẽ là Telefonica O2, T-Mobile và Vodafone

Những vướng mắc của femtocell

Trái ngược với cho vẻ bề ngoài lôi cuốn, công nghệ femtocell vẫn ẩn chứa nhiều vấn đề nghiêm trọng cũng như nhiều hiểm họa Femtocell, theo nhiều chuyên gia, vẫn chưa đạt được độ chín công nghệ, nhất là các vấn đề về phân cấp tần số, nhiễu gây ra giữa femtocell và macrocell hay các femtocell lân cận Nhiễu giao thoa có thể tạo ra các vùng chết (dead-spot) Vì femtocell sẽ được lắp đặt gần giống như Wi-Fi nên nhà cung cấp hầu như không thể điều chỉnh vị trí của femtocell để hạn chế nhiễu Giải pháp cho các thách thức này cần phải có các cơ chế dò tần số vô tuyến động, tự cấu hình nhanh lại tần số của femtocell để tránh nhiễu (giống như giải pháp vô tuyến nhận thức – radio cognitive)

Vấn đề chất lượng dịch vụ khi tích hợp với mạng cố định sẽ không thật dễ dàng Do nhà cung cấp dịch vụ mạng di động femtocell không nhất thiết sở hữu mạng băng rộng IP, nên vấn đề QoS trên mạng IP nằm ngoài sự quản lý của nhà cung cấp dịch vụ Thông tin thời gian thực từ

femtocell đến mạng lõi di động sẽ phải cạnh tranh băng thông cùng với các lưu lượng thông tin khác trên mạng IP như P2P Sự hội tụ chặt chẽ giữa mạng cố định và di động là cần thiết để có thể cung cấp dịch vụ chất lượng cao

Hiện tại vẫn chưa có một chuẩn thống nhất hay một kiến trúc mạng thông nhất cho femtocell Điều này cũng sẽ gây không ít khó khăn cho việc triển khai chúng rộng khắp Ngoài các vấn đề

kỹ thuật, vấn đề liên quan đến sức khỏe người tiêu dùng khi đem các trạm phát sóng vào tận trong nhà hay văn phòng cũng cần phải được quan tâm và xem xét một cách cận thận Một khi câu trả lời về các vấn đề này chưa rõ ràng, người tiêu dùng sẽ rất e ngại khi chấp nhận công nghệ femtocell

FEMTOCELL VS WIFI

Femtocell là trạm phát sóng tại nhà nhằm khai thác tính năng hội tụ giữa mạng cố định và mạng di động Tôi đã có dịp giới thiệu qua về giải pháp này ở đây Giải pháp femtocell rất giống với giải pháp UMA (Unlicensed Mobile Access)/GAN (Generic Access Network)

Giải pháp sử dụng công nghệ Truy nhập di động không cấp phép – Unlicensed Mobile Access (UMA) cho phép cung cấp các dịch vụ thoại và số liệu di động chất lượng cao trên mạng GSM

và các mạng vô tuyến băng rộng Wi-Fi/Bluetooth sử dụng ở trong nhà, văn phòng và các điểm truy nhập công cộng Việc truy nhập trong các phổ tần vô tuyến không cấp phép của các mạng vô tuyến băng rộng có giá thành thấp hơn nhiều so với các mạng di động 2,5 G và 3G (theo

tạpchíBCVT)

Sự khác nhau giữa UMA và femtocell nằm ở trạm phát sóng tại nhà UMA dùng WiFi ở tần số không cấp phép do vậy thường gặp vấn đề về nhiễu giao thoa (interference) Trong WiFi không

có điều khiển công suất nên càng làm vấn đề nhiễu thêm trầm trọng Tuy nhiên do WiFi có cả dãy tần 600MHz trong băng tần 2GHz và 5GHz nên vấn đề sử dụng hiểu quả phổ tần

(spectrum efficiency) không thật sự cấp thiết như trong mạng thông tin di động tế bào

Femtocell khác WiFi/UMA ở chổ nó dùng tần số cấp phép Người dùng không cần dùng đến thiết bị dual-mode (có tích hợp WiFi) Femtocell dựa trên công nghệ của mạng thông tin di động

tế bào nên nó có thể được thiết kế để sử dụng một cách hiểu quả phổ tần cũng như điều khiển công suất phát để giảm nhiễu Tuy nhiên, giá thành có thể sẽ là yếu tố khác biệt giữa WiFi và femtocell Ngày nay giá một trạm truy nhập AP WiFi giá chỉ tầm vài chục đô US Liệu femtocell

có thể được bán với giá tương đương hay thấp hơn để thu hút người dùng hay không? Và dĩ

nhiên ta cũng không loại trường hợp cả 2 WiFi và femtocell sẽ được tích hợp trong cùng một box

Femtocell có cất cánh hay không còn là một câu hỏi mở Ngược lại, chắc chắn một điều

rằng WiFi sẽ tiếp tục mở rộng thị trường của nó cùng với công nghệ 802.11n Nói thêm là

802.11n dùng kỹ thuật MIMO (nhiều ăng ten phát, nhiều ăng ten thu) để tăng dung lượng lên đến gấp nhiều lần so với 802.11a/b/g Và cũng không quên là WiFi họ cũng đã nghĩ đến sự cần thiết của điều khiển công suất, cụ thể là 802.11h