Khi HSDPA tăng tốc độ dữ liệu khá xa so với tốc độ UMTS đầu tiên, cuộc đua tăng băng rộng và tốc độ dữ liệu người dùng vẫn tiếp tục. Kỹ thuật phát phức tạp hơn như OFDM và MIMO được thảo luận trong nhóm làm việc 3GPP đối với Release 7. Mục tiêu là để tăng tốc độ dữ liệu lên 10 lần so với HSDPA để cho phép mạng UMTS có thể cạnh tranh với những ký thuật wireless và fixed-line trong tương lai.
Chương 7 Các công nghệ không dây khác 7.1 Mạng WLAN
7.1.1 giới thiệu chung về WLAN
Năm 1997, IEEE đã phác thảo chuẩn 802.11 cho WLAN. Đến năm 1999, chuẩn 802.11b được phác thảo và được công nhận bởi mạng lưới công nghiệp.
Ưu điểm là tiết kiệm được chi phí thiết lập các đường mạng trong các tòa nhà và
chi phí bảo dưỡng, tiết kiệm thời gian, khả năng mở rộng và quản lý cao, tính linh động, tích hợp tốt với các máy tính đã có sẵn, chia sẻ tài nguyên.
Nhược điểm là tốc độ bị hạn chế bởi băng thông có sẵn, ổn định đường truyền phụ
thuộc nhiều vào các thiết bị phát sóng, tính bảo mật của hệ thống chưa cao, tần số cao thì tốc độ nhưng độ suy hao cũng tăng làm giảm khoảng cách.
Hình 7.1: Kiến trúc của WLAN
Dải tần sử dụng: các sản phẩm không dây sử dụng điều chế phổ trải rộng (DSSS và FHSS) hoạt động ở dải tần công nghiệp, khoa học và y tế (ISM)
- Dải 900MHz và 2,4GHz: ưu điểm là có khả năng xuyên qua chướng ngại vật và thu phát mạnh trong khoảng cách vài km
- Dải 3,5GHz: các thiết bị trong dải tần này trong một số trường hợp khá giống với
Chuẩn mạng WLAN
- Nhóm lớp vật lý:
-> chuẩn 802.11b: sử dụng kỹ thuật DSSS, có 14 kênh trên băng tần 2,4GHz, tốc độ tối đa là 11Mbps trên mỗi kênh. Nhược điểm là dải tần trùng với dải tần của nhiều thiết bị trong gia đình như lò vi sóng, điện thoại mẹ con…có thể bị nhiễu
-> Chuẩn 802.11a là nâng cấp của 802.11b, dải tần làm việc là 5MHz, công nghệ trải phổ OFDM, tốc độ dữ liệu tối đa 25Mbps tới 54Mbps
-> Chuẩn 802.11g làm việc ở dải tần 2,4GHz, tốc độ tối đa 54Mbps, kỹ thuật điều chế OFDM
- Nhóm lớp liên kết dữ liệu MAC
-> Chuẩn 802.11e,i bổ xung cho cả 802.11a,b,g: đối với 802.11e nhằm cung cấp các chức năng về chất lượng dịch vụ (voice, video, QoS rất cao). 802.11i nhằm cải thiện về mặt an ninh cho mạng không dây
-> 802.11n vẫn chưa ra mắt, tần số làm việc là 2,4GHz hoặc 5GHz, tốc độ dữ liệu 200Mbps lớn nhất là 540Mbps, phạm vi xấp xỉ là 50m, sử dụng kỹ thuật MIMO
7.1.2 So sánh WLAN và UMTS
Khác biệt về tốc độ giữa WLAN và UMTS là, tốc độ truyền lớn nhất của hospots WLAN là 11-54Mbps, 384kbps là với UMTS R99 hoặc 800kbps tới 3Mbps là của HSDPA. Sự thật là, WLAN được dùng cho kết nối wireless ở văn phòng, dùng để trao đổi dữ liệu giữa những PC và Server trong LAN.
Ứng dụng khác cho kỹ thuật WLAN trong những toà nhà công cộng. Ở đây, tốc độ bị giới hạn bởi tốc độ liên kết backhaul tới internet. Vì hầu hết hotspots, DSL sử dụng backhaul, chính nó giới hạn tốc độ downlink vào khoảng 1-8Mbps. Băng rộng này phải được chia với tất cả user của hotspot. Trong thực tế, băng thông uplink thậm chí nhỏ hơn và trong hầu hết trường hợp bị giới hạn tới 256kbps tới 1Mbps. Do đó, tốc độ phát lớn nhất của WLAN không được sử dụng như trong lý thuyết. Sử dụng UMTS, tốc độ trên 384kbps tới 3Mbps với HSDPA sẵn săng với mỗi user. Node-B UMTS với 3 phân đoạncó dung lượng phát vào khoảng 12Mbps, nó có thể xử lý nhiều user hơn hotspot của WLAN với tốc độ tương ứng mỗi user. Chú ý, Node-B thường bao phủ một vùng địa lý lớn hơn nhiều so với hotspot của WLAN.
WLAN sẵn có ở những địa điểm công cộng như hotel, airport lounges, và nhà ga. Mong muốn số lượng hotspot sẽ tăng lên trong tương lai, vì phạm vi ngắn của WLAN. Mặt khác, mạng UMTS lại bao phủ những khu vực rộng như thành phố
Hình 7.2: Tốc độ dữ liệu và sự phụ thuộc của chúng vào di động
Khi mạng lõi UMTS là một sự phát triển của mạng GSM và GPRS đang tồn tại, giải pháp tính cước trên toàn thế giới vẫn đang tồn tại. Mặt khác WLAN không có giải pháp tính cước chuẩn vì nó phục vụ cho home và office. Đối với những hotspot thương mại, thì việc tính cước là nội dung cần thiết. Ví sự vắng mặt những chuẩn và số lượng rất lớn những nhà khai thác hotspot, một số giải pháp tính cước khác đang xuất hiện trên thị trường. Như thẻ , trả trực tiếp qua thẻ tín dụng, và trả qua GSM hoặc UMTS ( nếu hotspot của WLAN được khai thác bởi nhà khai thác di động của user).
Kích thước của cell cũng là khác biệt lớn giữa WLAN và UMTS. WLAN bị giới hạn tới một vài trăm mét vì công suất phát lớn nhất là 0,1W. Trong toà nhà phạm vi này giảm xuống vì những vật cản như những bức tường. Những cell của UMTS có thể phủ sóng vài km nhưng cũng có thể phủ sóng cho nhiều toà nhà hoặc floors (pico-cells)
Hệ thống điện thoại là ứng dụng quan trọng. Phần chuyển mạch kênh của mạng UMTS đã được thiết kế cho hệ thống điện thoại voice và video. Xu hướng rõ
ràng là hướng voice (và video) trên IP (VoIP). UMTS đánh địa chỉ bằng kiến trúc IMS. Những hotspot không dây sẽ lợi dụng từ xu thế này. Những khác sử dụng VoIP, cùng với notebook, cho phép người dùng làm cuộc gọi qua WLAN ở nhà, trong văn phòng, hoặc hotspot công cộng. Gần đây, những thiết bị như nhà thông tin Nokia đã giới thiệu kết nối WLAN thêm vào truy cập GSM và UMTS. Để chắc chắn chất lượng dịch vụ tốt đối với ứng dụng điện thoại trong những hotspot được tải, thêm DCF vào điểm truy cập để chắc chắn băng rộng và thời gian trễ không đổi cho cuộc gọi. Giải pháp cho vấn đề này đã được chuẩn hoá cụ thể trong 802.11e. Chú ý, những hotspot công cộng kết nối internet qua đường dây DSL với băng thông uplink có giới hạn chỉ vài trăm kbps. Do đó, chỉ có 2 hoặc 3 cuộc gọi đồng thời xảy ra. Vì lý do này, điện thoại trên những hotspot WLAN công cộng sẽ chỉ bổ sung dung lượng cuộc gọi voice của mạng GSM và UMTS. Những chuẩn R6 miêu tả làm sao IMS có thể được mở rộng tới WLAN công cộng.
Hình 7.3 : Kiến trúc nối liền giữa WLAN IEEE 802.11 và UMTS
Hình 7.4 chỉ ra 5 điểm nối liền giữa WLAN và UMTS. Kiến trúc nối liền này bao gồm những thay đổi nhỏ tới nhiều chuẩn và nhiều kỹ thuật đang tồn tại và đặc biệt cho lớp MAC và vật lý. Hai nối liền đầu tiên luôn luôn có sự tương tác giữa điểm truy cập (AP) WLAN và phần chuyển mạch gói của mạng lõi UMTS. Nối liền này là có thể thông qua phần tử 3G-SGSN và GGSN. Trong 2 trường hợp mạng
WLAN xuất hiện như là một cell của UMTS hoặc vùng định tuyến (RA). Mạng UMTS sẽ là mạng Master(chủ) và mạng WLAN IEEE 802.11 sẽ là mạng slave (tớ). Điều này có nghĩa là việc quản lý di dộng và bảo mật sẽ được xử lý bởi mạng UMTS. Điều này yêu cầu những card PCMCIA dual-mode để truy cập tới 2 lớp vật lý khác nhau. Thêm vào đó, tất cả lưu lượng sẽ đến 3G-SGSN của UMTS đầu tiên hoặc 3G-GGSN trước khi trạm tới những đich cuối cùng của nó, dù là đích cuối cùng ở trong mạng WLAN.
Hình 7.4: Quan hệ nối liền giữa IEEE 802.11 WLAN AP và 3G-SGSN thông qua IWU (IWU cạnh tranh với bộđiều khiển RNC)
Trong nối liền thứ 3 điểm truy cập ảo (VAP) trái ngược những vai trò của UMTS và WLAN như trong 2 kiến trúc nối liền đầu tiên. Ở đây, WLAN IEEE 802.11 là mạng Master(chủ) và UMTS là mạng Slave (tớ). Việc quản lý di động là tuỳ theo WLAN, và IAPP ( là Inter-Access Point Protocol) là giao thức thực hiện quản lý này
Kiến trúc nối liền thứ 4 cổng di động/ proxy di động (MG) được sử dung giữa UMTS và WLAN 802.11. Ở đây, chúng là 2 mạng peer-to-peer. MG là proxy được triển khai một là trên UMTS hoặc WLAN và sẽ xử lý di động và định tuyến. Kiến trúc nối liền thứ 5 là dựa vào giao thức Mobile IP. Điều được gọi là “no-coupling” và cả 2 mạng là những peers. Mobile IP xử lý quản lý di động. Phần
tử A HA/FA được gồm với kiến trúc này, cái mà làm lớp IP của những thông báo tác nhân của tác nhân di động (HA/FA) và thực hiện sự cập nhật ràng buộc
7.2 WiMax (chuẩn 802.16)
7.2.1 tổng quan về WiMax (802.16)
WiMax (World interoperability Microwave Access) là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16-2004. Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802, với Diễn đàn WiMax. Tổ công tác IEEE 802.16 là người chế định ra tiêu chuẩn còn Diễn đàn WiMax là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16. Diễn đàn WiMax là tổ chức phi lợi nhuận, hỗ trợ và thương mại hóa cong nghệ theo tiêu chuẩn 802.16. Ở đây giới thiệu cơ sở lý luận và WiMax cũng như xem xét các tiêu chuẩn với các mô hình ứng dụng WiMax như là một trong các giải pháp truy cập băng rộng không dây. Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wi-Fi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN, còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network). Mạng WiMax cũng như mạng đô thị hữu tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ các thuê bao trong vòng tới 50km.
Hai mô hình ứng dụng WiMax
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng: - Mô hình ứng dụng cố định
- Mô hình ứng dụng di động
Mô hình ứng dụng cốđịnh (Fixed WiMax)
Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004. Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten cố định đặt tại nhà có thuê bao. Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương ứng như chảo thông tin vệ tinh.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không khẻo bằng anten ngoài trời. Bằng tần công tác (theo quy định và phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5 GHz hoặc 3.5 GHz. Độ rộng bằng tần là 3,5 MHz. Trong mạng cố định, WiMax thực hiện cách tiếp nối không dây đến các moderm cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng mang). WiMax cố định có thể phục vụ cho các loại người dùng (user) như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ
lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS. Về cách phân bố theo địa lý, các user thì có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó. Trong mô hình này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc WiMax BS (làm việc với anten đặt trên tháp cao) và các trạm phụ SS (SubStation). Các trạm WiMax BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN
Hình 7.5: Sơđồ hệ thống mạng WiMax Mô hình ứng dụng WiMax di động
Mô hình WiMax di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiểu chuẩn IEEE 802.16e. Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các user cá nhân di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6 GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng. Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộng tác để thực hiện được mạng viễn thông digital truy nhập không dây có phạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn được các nhu cầu đa dạng của thuê bao. Tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua trong năm 2005.
Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập Internet phổ biến hiện nay như quay số qua Modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng, hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng Wi-Fi. Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc
độ có thể lên đến 8 Mbps nhưng cần có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà không dễ triển khai đối với các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6 Kbps quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép truy cập ở tốc độ đến 171,2 Kbps hay EDGE khoảng 300-400 Kbps cũng chưa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet. Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vượt quá 2Mbps. Với mạng Wi-Fi ( chính là mạng LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. Với thực tế như vậy, WiMax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi.
Hình 7.6: Dựđoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ
Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70 Mbps và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km. Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMax cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMax gần nhất.
WiMax hoạt động như thế nào
Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi như ở tốc độ và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMax gồm 2 phần: - Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000 km2.
- Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng. Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển. Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2 – 11GHz, tương tự như ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích.
Hình 7.7: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP
Đặc điểm WiMax sử dụng kỹ thuật OFDM để cải thiện hiệu suất đa đường trong
các môi trường không theo tầm nhìn thẳng. OFDMA thay đổi tỉ lệ (S-OFDMA) dùng để hỗ trợ băng thông kênh tỉ lệ từ 1,25 đến 2MHz. WiMax di động phiên bản 1 sẽ bao gồm các băng thông kênh 5; 7; 8,75 và 10MHz dành cho các dải tần được cấp phép trên thế giới như: 2,3GHz; 2,5GHz; 3,3 GHz và 3,5 GHz
- Tốc độ dữ liệu cao: kỹ thuật anten MIMO cùng với các nguyên lý chia nhỏ kênh