IEEE chỉ xác định lớp vật lý và lớp MAC trong 802.16. Sự tiếp cận này đang và đã hoạt động tốt với các công nghệ nh Ethenet và Wifi, mà chúng dựa vào những tổ chức khác nh IETF (Internet Engineering Task Force) để đặt các chuẩn cho các giao thức lớp cao hơn nh TCP/IP, SIP, VoIP và IP Sec. Trong thế giới vô tuyến di
động, các tổ chức chuẩn hoá nh 3GPP và 3GPP2 thiết lập các chuẩn với đa dạng các giao diện và giao thức bởi vì các tổ chức này không chỉ yêu cầu việc tơng thích hoạt
động qua kết nối vụ tuyến mà cũng tơng thích liên mạng và liên nhà sản xuất cho chuyển vùng (roaming), mạng truy nhập đa nhà sản xuất, tính cớc liên công ty. Các nhà sản xuất và nhà cung cấp dịch vụ đang nhận ra vấn đề này và đang hình thành các nhóm làm việc mới để phát triển mô hình tham chiếu mạng chuẩn cho các giao diện liên mạng mở. 2 trong các nhóm chuẩn hoá này là Nhóm làm việc mạng của diễn đàn WiMAX, tập trung vào việc tạo các chỉ tiêu kỹ thuật mạng mức cao hơn
Hình 15: Thông lợng với tỷ lệ DL/UL thay đổi và tối u hoá WiMAX
Thông lợng sector DL Thông lợng sector UL
Tỷ lệ DL/UL Tỷ lệ DL/UL
cho hệ thống WiMAX cố định, lu động, và Mobile di động đợc xác định trong chuẩn IEEE 802.16, nhóm làm việc cung cấp dịch vụ với nhiệm vụ đa ra các yêu cầu và đặt độ u tiên để giúp định huớng công việc của nhóm làm việc về mạng.
Kiến trúc mạng end-end WiMAX di động đợc dựa trên nền tảng toàn IP, công nghệ gói hoàn toàn không có kế thừa điện thoại chuyển mạch kênh. Nó mang
đến các u điểm về việc giảm tổng giá thành sở hữu trong suốt vòng đời khai thác mạng WiMAX. Sử dụng mạng toàn IP nghĩa là lừi mạng chung cú thể đợc sử dụng, mà không cần thiết có sự duy trì cả mạng lõi chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Một lợi ích nữa của mạng toàn IP là nó đặt mạng vào đờng cong phát triển của bộ xử lý chung và các thiết bị computer, thờng đợc gọi là “luật Moore”. Các cải tiến trong xử lý máy tính xảy ra nhanh hơn cải tiến trong thiết bị viễn thông nhiều bởi vì phần cứng chung không bị giới hạn bởi vòng thiết bị viễn thông, thờng có xu hớng dài và cồng kềnh. Kết quả cuối cùng là một mạng hoạt động liên tục với hiệu quả vốn cao hơn, và tận dụng đợc sự phát triển bởi bên thứ 3 từ cộng đồng Internet.
Kết quả này với giá thành thấp hơn, tính mềm dẻo cao và sự triển khai nhanh do chức năng mạng là các dịch vụ dựa trên trên phần mềm là chính.
Để triển khai hệ thống thơng mại hoạt động thành công, hệ thống đó phải đ- ợc hỗ trợ ngoài các chỉ tiêu giao diện vô tuyến 802.16 (PHY/MAC). Chủ yếu là sự cần thiết hỗ trợ một tập hợp lõi các chức năng liên mạng nh một phần của kiến trúc hệ thống WiMAX end-end tổng thể. Trớc khi đa ra chi tiết về kiến trúc, đầu tiên chúng ta để ý đến vài nguyên lý cơ bản dẫn đến sự phát triển của cấu trúc WiMAX.
1. Kiến trúc đợc dựa trên khung chuyển mạch gói, bao gồm các thủ tục cơ
bản đợc dựa trên IEEE 802.16 và các bổ xung, phù hợp với IETF RFC và chuẩn Ethernet.
2. Kiến trúc cho phép tách kiến trúc truy nhập (và các cấu hình đợc hỗ trợ) từ kết nối dịch vụ IP. Phần tử mạng của hệ thống kết nối phải tuân theo chuẩn vô tuyến IEEE 802.16
3. Kiến trúc cho phép mô đun hoá và mềm dẻo để đáp ứng một khoảng rộng các tuỳ chọn triển khai nh là:
• Mạng WiMAX kích thớc nhỏ đến kích thớc lớn (độ bao phủ vô tuyến tha thớt tới dày đặc).
• Môi trờng truyền vô tuyến nông thôn, giáp thành phố, thành phố.
• Băng tần xin phép hay không phải xin phép
• Cấu hình nhánh, phẳng, lới và hỗn hợp.
• Cho phép các mô hình sử dụng cố định, lu động, portable, di động cùng tồn tại.
2.6.1. Hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng:
Kiến trúc end-to-end bao gồm các hỗ trợ cho: a) thoại, dịch vụ đa phơng tiện và các dịch vụ bắt buộc theo quy định khác ví dụ nh các dịch vụ khẩn cấp. b) Có khả năng truy cập tới nhiều mạng của các nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng độc lập (ASP) khác nhau, c) truyền thông thoại di động sử dụng VoIP, d) hỗ trợ giao diện với đa dạng interworking và các media gateways cho phép cung cấp các dịch vụ thuộc trách nhiệm /hợp pháp đợc dịch qua IP (ví dụ, SMS qua IP, MMS, WAP) tới mạng truy nhập WiMAX và e) hỗ trợ việc cung cấp các dịch vụ multicast và broadcast qua mạng truy nhập WiMAX.
2.6.2. Interworking và roaming:
Là lợi điểm quan trọng khác của kiến trúc mạng end-to-end với sự hỗ trợ cho một loạt các viễn cảnh khai thác. Cụ thể, sẽ có sự hỗ trợ cho a) Làm việc liên mạng mà không cần kết hợp chặt chẽ với mạng vô tuyến hiện tại nh 3GPP và 3GPP2 hay các mạng hữu tuyến đang tồn tại nh DSL và MSO, với các giao diện làm việc liên mạng đợc dựa trên bộ chuẩn giao thức của IETF. b) Chuyển vùng quốc tế qua các mạng WiMAX đang hoạt động, bao gồm hỗ trợ việc tái sử dụng cho phép, nhất quán sử dụng AAA cho việc đếm và tính cớc, tính cớc và thanh toán chung/
thống nhất. c) một khoảng đa dạng định dạng cho phép nhận thực thiết bị kết cuối nh là tên thiết bị kết cuối / mật khẩu, chứng chỉ số, mô đun nhận dạng thuê bao (SIM), SIM phổ thông, và mô đun xác nhận ngời sử dụng có thể di chuyển đợc (RUIM).
Các thành viên công nghiệp của diễn đàn WiMAX đã xác nhận một mô hình tham chiếu mạng WiMAX (NRM) đại diện cho logic của kiến trúc mạng. NRM xác nhận các thực thể chức năng và điểm tham chiếu mà qua đó đạt đợc khả năng tơng tác giữa các thực thể chức năng. Kiến trúc đợc phát triển với mục tiêu là cung cấp
sự hỗ trợ thống nhất cho các chức năng cần thiết trong một loạt mô hình triển khai mạng và viễn cảnh sử dụng (từ cố định-lu động-portable-di động đơn giản và đến di
động hoàn toàn).
Hình 16 mô tả NRM, bao gồm các thực thể logic sau: MS, ASN và CSN và
điểm tham chiếu xỏc định rừ ràng cho liờn kết cỏc thực thể logic. Hỡnh mụ tả cỏc
điểm tham chiếu quy chuẩn cơ bản R1-R5. Mỗi thực thể, MS, ASN, và CSN đại diện một nhóm các thực thể chức năng. Mỗi một chức năng có thể đợc nhận ra trong một thiết bị vật lý đơn hoặc có thể đợc phân bố qua các thiết bị vật lý. Nhóm và phân bố các chức năng vào thiết bị vật lý trong phạm vi một thực thể chức năng (ví dụ nh ASN) là một triển khai tuỳ chọn; một nhà sản xuất có thể chọn triển khai bất cứ chức năng vật lý nào, riêng rẽ hoặc kết hợp, miễn là sự triển khai đó đạt đ ợc yêu cầu chức năng và tơng thích.
Mục đích của NRM là tiến tới các tuỳ chọn triển khai cho một thực thể chức năng cho trớc và đạt đợc sự tơng thích giữa các sự thực hiện khác nhau của các thực thể chức năng. Sự tơng thích đợc dựa trên sự xác định về giao thức truyền thông và xử lý số liệu đơn thuần giữa các thực thể chức năng để đạt đợc chức năng end-to- end tổng thể, ví dụ, quản lý an ninh và di động. Do đó, thực thể chức năng trên mặt nào trong hai mặt của một điểm tham chiếu cũng thể hiện cho một tập hợp các điểm cuối điều khiển và mang (bearer).
ASN xác định một giới hạn logic và đa ra một phơng cách tiện lợi để mô tả
một tập hợp các thực thể chức năng và luồng bản tin tơng ứng gắn với các dịch vụ truy nhập. ASN trình bày một giới hạn tơng thích chức năng với các khách hàng WiMAX, chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tích hợp các chức năng đợc thể hiện bởi các nhà cung cấp khác nhau. Sắp xếp các thực thể chức năng tới thực thể logic trong ASN nh đợc mô tả trong NRM có thể đợc thực hiện theo các cách khác nhau. Diễn đàn WiMAX đang trong quá trình đa ra các chỉ tiêu kỹ thuật mạng để
đảm bảo đợc đa dạng các sản phẩm của các nhà sản xuất có thể liên hoạt động và phù hợp các yêu cầu triển khai đa dạng.
Mạng dịch vụ kết nối (CSN) đợc xác định nh là một tập hợp các chức năng mạng mà cung cấp các dịch vụ kết nối IP tới các thuê bao WiMAX. Một CSN có thể bao gồm các phần tử mạng nh là router, AAA proxy/Server, cơ sở dữ liệu ngời
sử dụng và thiết bị gateway tơng thích. Một CSN có thể đợc triển khai nh một phần của nhà cung câp dịch vụ mạng WiMAX Greenfield (NSP) hoặc một phần trách nhiệm của NSP WiMAX.
Hình 17 cung cấp một cách nhìn cơ bản hơn nữa về rất nhiều thực thể trong nhóm chức năng ASN và CSN.
Hình 16: Mạng kết nối WiMAX tham khảo
Các chỉ tiêu kỹ thuật mạng cho hệ thống dựa trên WiMAX đợc dựa trên một số nguyên lý kiến trúc mạng cơ bản, bao gồm các nguyên lý đợc liệt kê dới đây.
Một số nguyên lý chung đang dẫn đến sự phát triển kiến trúc mạng WiMAX di động và bao gồm các vấn đề sau: a) cung cấp sự phân biệt logic giữa quy trình này và địa chỉ IP, quy trình quản lý kết nối và định tuyến và giao thức để cho phép sử dụng các kiến trúc truy nhập ban đầu trong các viễn cảnh triển khai làm việc liên mạng và riêng mạng, b)hỗ trợ cho việc chia sẻ ASN của một nhà cung cấp truy nhập mạng (NAP) trong nhiều NSP; c) hỗ trợ dịch vụ cung cấp NSP đơn qua đa ASN- đ- ợc quản lý bởi một hay nhiều NAP, d) hỗ trợ cho việc khám phá và lựa chọn NSP có thể truy nhập đợc bởi một MS hoặc SS; e) hỗ trợ NAP mà triển khai một hay nhiều cấu hình ASN; f) hỗ trợ truy nhập tới các dịch vụ theo trách nhiệm của nhà khai thác qua chức năng tơng tác qua Internet khi cần thiết; g) các chỉ tiêu kỹ thuật cho
điểm tham chiếu mở và đợc xỏc định rừ ràng giữa cỏc nhúm thực thể chức năng mạng khác nhau (trong một ASN, giữa các ASN, giữa một ASN và một CSN và giữa các CSN), và đặc biệt giữa một MS, ASN, và CSN để cho phép tơng thích với đa nhà sản xuất. h) hỗ trợ sự phát triển giữa các mô hình sử dụng khác nhau tới các giả
thiết kỹ thuật hợp lý và bắt buộc, i)cho phép nhiều nhà sản xuất khác nhau cùng triển khai dựa trên sự kết hợp khác nhau các thực thể chức năng trên thực thể mạng lớp vật lý, khi sự triển khai này tuân theo giao thức quy chuẩn và các quy trình qua
điểm tham chiếu có thể ứng dụng, nh đợc xác định trong các chỉ tiêu kỹ thuật mạng
Hình 17: Cấu trúc mạng kết nối WiMAX trên nền IP
và j) hỗ trợ viễn cảnh thông thờng nhất là một nhà cung cấp dịch vụ khai thác một ASN cùng với một tập hợp giới hạn các chức năng CSN, để mà các nhà khai thác có thể cung cấp các dịch vụ truy cập internet cơ bản mà không cần xem xét đến roaming và tơng tác.
Kiến trúc WiMAX cũng cho phép cả dịch vụ IP và Ethernet, trong mạng tuân theo chuẩn IP di động. Sự mềm dẻo và tơng tác mạng đợc mạng WiMAX hỗ trợ cho phép các nhà khai thác triển khai mạng giá thành thấp với đa nhà cung cấp thậm chi với sự triển khai kết hợp giữa ASN tập trung và phân tán trong mạng.
Mạng WiMAX có các đặc điểm chính sau đây:
2.6.3. Tính bảo mật
Kiến trúc mạng WiMAX end-to-end đợc dựa trên khung bảo mật bất khả tri
đối với nhà khai thác và ASN topology và áp dụng một cách nhất quán qua Greenfield và các model triển khai liên kết mạng và các viễn cảnh sử dụng . Cụ thể, có một trờng hợp hỗ trợ : a) nhận thực lẫn nhau tốt giữa một MS và mạng WiMAX,
đợc dựa trên khung bảo mật IEEE 802.16; b) tất cả cơ chế nhận thực thông thờng đ- ợc triển khai và viễn cảnh nhận thực trong mạng chủ và mạng vãng lai đợc dựa trên mét khung nhận thực nhất quán và có thể mở rộng đợc; c) tích hợp số liệu, bảo vệ replay; bảo mật và không từ chối thực hiện sử dụng độ dài khoá ứng dụng d) sử dụng cơ chế an ninh cho MS bắt đầu/kết thúc nh là mạng riêng ảo (VPN), e) cơ chế quản lý địa chỉ IP an toàn chuẩn giữa MS/SS NSP chủ hoặc NSP vãng lai.
2.6.4. Tính di động và handovers
Kiến trúc mạng WiMAX end-to-end có khả năng mở rộng để hỗ trợ tính di
động và chuyển giao. Nó sẽ: a) bao gồm chuyển giao theo chiều dọc hoặc liên công nghệ - ví dụ tới Wi-Fi, 3GPP, 3GPP2, DSL hoặc MSO - khi những khả năng này đ- ợc cho phép trong MS đa chế độ; b) hỗ trợ quản lý tính di động dựa trên IPv4 hoặc IPv6. Trong khung này, kiến trúc sẽ điều chỉnh cho phù hợp MS với đa địa chỉ IP và kết nối IPv4 và IPv6 đồng thời; c) hỗ trợ roaming giữa các NSP; d) sử dụng cơ chế
để hỗ trợ chuyển vùng liền suốt tại tốc độ di chuyển của phơng tiện - thoả mãn giới hạn đó đợc xỏc định rừ (trong phạm vi diễn đàn WiMAX) của giỏn đoạn dịch vụ.
Một vài khả năng khác đợc hỗ trợ tính di động bao gồm hỗ trợ: a) cấu hình địa chỉ gốc tĩnh và động; b) sự gán động của các đại lý gốc trong mạng cung cấp dịch vụ
nh một dạng tối u tuyến, cũng nh trong mạng IP gốc nh một dạng cân bằng tải và c) gán động các đại lý gốc dựa trên các chính sách.
2.6.5. Scalability, sự mở rộng, vùng bao phủ và lựa chọn nhà khai thác.
Kiến trúc mạng WiMAX end-to-end có sự hỗ trợ rộng lớn cho việc khai thác mở rộng, mềm dẻo và mềm dẻo trong lựa chọn nhà khai thác. Cụ thể, nó sẽ: a)cho phép ngời sử dụng lựa chọn tự động hoặc nhân công từ các NAP và NSP sẵn có, b)cho phép thiết kế ASN và CSN mà có thể thay đổi quy mô dễ dàng -về vùng phủ, dung lợng, c) điều chỉnh một loạt các topology ASN- bao gồm hub-and-spoke, nhánh, liên kết nối multi-hop, thoả mãn một loạt các liên kết backhaul, phân bậc, và/ hoặc kết nối multi-hop) điều chỉnh các kết nối back-haul, cả vô tuyến và hữu tuyến với độ trễ khác nhau và các đặc điểm thông lợng, e) hỗ trợ triển khai cơ sở hạ tầng tăng dần, f) hỗ trợ giới thiệu dần từng pha các dịch vụ IP mà do đó tăng số thuê bao hoạt động và đồng thời các dịch vụ IP trên ngời sử dụng, g) hỗ trợ sự tích hợp các vùng phủ không ổn định về dung lợng của trạm gốc - ví dụ, trạm gốc macro, mirco, pico và e) hỗ trợ tách và tích hợp các chức năng ASN trong triển khai mạng ASN để cho phép sử dụng sơ đồ cân bằng tài cho việc sử dụng hiệu quả phổ vô
tuyến và các nguồn tài nguyên mạng.
Các đặc điểm khác gắn liền với năng lực của hệ thống và khả năng quản lý của kiến trúc mạng WiMAX bao gồm: a) hỗ trợ các điều khoản đa dạng khách hàng online và offline, đăng nhập và sơ đồ quản lý dựa trên chuẩn công nghiệp mở, có thể triển khai rộng rãi, dựa trên nền IP, có thể triển khai rộng rãi b) Điều chỉnh các dịch vụ qua môi trờng vô tuyến “Over - The - Air” (OTA) để cung cấp cho thiết bị kết cuối MS và nâng cấp phần mềm.
2.6.6. Khả năng tơng thích nhiều nhà sản xuất:
Một khía cạnh quan trọng khác của kiến trúc mạng WiMAX là hỗ trợ khả
năng tơng thích giữa các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau trong một ASN và qua các ASN khác nhau. Khả năng tơng thích này sẽ bao gồm tơng thích giữa: BS và thiết bị backhaul trong một mạng ASN, và b) Các phần tử ASN khác nhau (có thể từ các nhà sản xuất khác nhau) và CSN, với tối thiểu hoặc không có sự suy giảm trong chức năng hoặc khả năng của ASN.