Phần truy nhập vô tuyến

4.3.1 GSM

Trong những năm đầu của thập kỷ 1980, hội nghị viễn thông và bưu điện châu Âu (CEPT) đưa ra nhóm di động đặc biệt (Group Special Mobile) với mục tiêu là phát triển chuẩn Pan-European cho thông tin tế bào số. Dự án này có tên là GSM và hệ thống thực hiện các chuẩn tương ứng, hệ thống toàn cầu cho thông tin di động,

Từ đó đến nay, các mạng GSM, kể cả mạng GSM theo khái niệm gốc hoặc các phát triển của nó, phát triển rộng khắp trên thế giới và được coi là kế hoạch thành công. Các hệ thống GSM hoạt động ở dải tần khoảng 900 MHz (GSM-900), 1.8 GHz (GSM-1800), hoặc 1.9GHz (GSM-1900). GSM-900 là mạng tế bào GSM gốc đáp ứng các vùng rộng lớn (macro cell) và để hoạt động với các đầu cuối nguồn lớn. GSM sử dụng TDMA với tốc độ dữ liệu thấp cỡ trên dưới 10kbps.

4.3.2 GPRS

Để hỗ trợ một cách hiệu quả một vài loại lưu lượng tạo ra bởi nhiều loại ứng dụng, mạng tổng hộp phải cung cấp được các dịch vụ dữ liệu gói. Với mục tiêu ấy, ba công nghệ dữ liệu, được đưa vào các hệ thống vô tuyến, xuất hiện một xen nhau để sử dụng cho các ứng dụng gói trong các mạng vô tuyến: Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS), TIA/EIA/IS-95B, và dữ liệu tốc độ cao (HDR).

Việc đưa ra GPRS trong mạng vô tuyến di động cho phép cải thiện khả năng của hệ thống GSM sẵn có, một số cải thiện chính là :

- Sử dụng cả hai loại dịch vụ chuyển mạch kênh và dịch vụ chuyển mạch gói. - Sử dụng tài nguyên vô tuyến tốt hơn.

- Tính cước dựa trên dung lượng.

4.3.3 Hệ thống 3G

Khái niệm hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G – There Gernation) được đưa ra bởi IMT-2000. Về cốt lõi, một hệ thống 3G phải cung cấp:

- Các dịch vụ đa phương tiện, trong các hoạt động chế độ kênh và gói.

- Các lĩnh vực người sử dụng như tư nhân, công cộng, thương mại, dân cư, và các lĩnh vực khác.

- Các mạng dựa trên mặt đất và vệ tinh.

- Thiết bị bỏ túi cá nhân, thiết bị trên xe cộ, và bất cứ đầu cuối đặc biết khác.

Các đặc tính xác định của IMT-2000 bao gồm:

- Tính tương thích của các dịch vụ trong IMT-2000 và các mạng cố định. - Chất lượng cao

- Đầu cuối nhỏ được sử dụng rộng rãi.

- Khả năng của các ứng dụng đa phương tiện và dải rộng của các dịch vụ và các đầu cuối IMT-2000 có thể được thực hiện như mạng độc lập hoặc như một phần tích hợp của các mạng cố định. Các hệ thống 3G cung cấp khả năng modul hoá về cả hai mặt dung lượng và chức năng.

Trái ngược với QoS cố định trong hệ thống vô tuyến 1G và 2G (được xác định như sự cố gắng tốt nhất), các hệ thống 3G cung cấp QoS mềm dẻo. Các ứng dụng của nó và người sử dụng có thể được ấn định một QoS mặc định với các điều chỉnh sao cho thích hợp với QoS mong muốn. Các tài nguyên khi đó được phân phối tuỳ theo hàng loạt các tham số như các hiện trạng QoS căn cứ bởi số thuê bao điện thoại, tải hệ thống, các điều kiện truyền, loại lưu lượng (cái này tuỳ thuộc vào ứng dụng), và các yếu tố khác.Tóm lại, các mục tiêu chính của các mạng 3G như sau:

- Sự chấp nhận toàn cầu về tập các chuẩn nòng cốt cho giao diện vô tuyến. - Thúc đẩy roaming toàn cầu.

- Hỗ trợ hiệu quả dải rộng các dịch vụ dữ liệu bao gồm cả đa phương tiện.Trên thực tế, các hệ thống 3G được triển khai với hai mục đích chính:

Là Để hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu gói với tốc độ và chất lượng như các mạng cố định và cung cấp truy nhập internet.

4.3.4 WLAN

Công nghệ hữu tuyến Ethernet được giới thiệu vào năm 1970, với tốc độ 10 Mbps, hơn hẳn tốc độ của các công nghệ không dây khác hiện có ở thời điểm đó. Vào năm 1985 FCC cho phép phát triển cho thương mại hệ thống WLAN sử dụng băng tần ISM. Băng tần ISM đã rất hấp dẫn các đại lý cung cấp khi không cần phải có sự cấp phép của FCC để hoạt động trong băng tần này.

HÌnh 4.14 Kiến trúc mạng LAN

HÌnh 4.15 Kiến trúc mạng LAN cơ sở

Mạng vô tuyến băng rộng đầu tiên, WLAN được xây dựng trên cơ sở họ các chuẩn IEEE 802.11. Chuẩn IEEE 802.11 đầu tiên được phát hành vào 1997, chiếm 83.5MHz băng thông trong băng tần 2.4GHz không cấp phép. Nó sử dụng điều chế PSK với trải phổ nhảy tần FHSS và trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS. Tốc độ dữ liệu lên đến 2Mbps được hỗ trợ với CSMA/CA, sử dụng cho truy nhập ngẫu nhiên. Chuẩn đầu tiên được mở rộng vào 1999 để tạo ra chuẩn 802.11b, hoạt động trong cùng băng tần nhưng chỉ sử dụng DSSS. Cung cấp tốc độ kênh truyền cực đại lên đến 11Mbps với tốc độ dữ liệu người dùng cực đại khoảng 1.6Mbps. Phạm vi truyền dẫn đạt tới 150m. Kiến trúc mạng trong 802.11b là hình sao hoặc ngang cấp, mặc dù đặc tính ngang cấp không được sử dụng điển hình. Chuẩn này đã được triển khai và sử dụng rộng rãi với các nhà sản xuất thiết bị tích hợp các card 802.11b vào các máy tính xách tay.

Chuẩn 802.11a được hoàn thành vào 1999 như một sự mở rộng của 802.11b để cải thiện tốc độ dữ liệu của 802.11b. Chuẩn 802.11a chiếm 300MHz phổ trong băng NII 5GHz. Thực tế, 300MHz phổ được phân chia thành ba băng con 100MHz. Một băng thấp từ 5.15-5.25GHz, một băng ở giữa từ 5.25-5.35GHz, một băng trên từ 5.725-5.825GHz. Mỗi kênh chiếm 20MHz, ngoại trừ các phần cuối của băng giữa và băng thấp là 30MHz. Có ba mức công suất phát cực đại được chỉ ra là 40mW cho băng thấp, 200mW cho băng giữa và 800mW cho băng cao. Những giới hạn này nhằm ám chỉ rằng băng thấp hầu như chỉ phù hợp cho các ứng dụng trong nhà, băng giữa cho ngoài trời và trong nhà còn băng cao cho ngoài trời. Điều chế và mã hóa tỉ lệ biến đổi được sử dụng cho mỗi kênh.

Các loại điều chế biến đổi qua BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM và các tỉ lệ mã hóa xoắn biến đổi qua 1/2, 2/3 và 3/4. Điều này dẫn đến tốc độ dữ liệu cực đại

mỗi kênh là 54MHz. Với các hệ thống trong nhà, sóng mang 5GHz kết hợp với giới hạn công suất trong băng thấp giảm phạm vi của 802.11a so với 802.11b và cũng khó hơn để tín hiệu xuyên qua các bức tường và các vật cản khác. Chuẩn 802.11a sử dụng đa truy nhập OFDM thay vì FHSS và DSSS.

Chuẩn 802.11g được hoàn thành vào 2003, kết hợp ưu điểm của 802.11a và 802.11b với tốc độ dữ liệu lên đến 54Mbps trong băng tần 2.5GHz cho phạm vi lớn hơn. Chuẩn này tiếp tục tương thích với 802.11b vì thế các điểm truy nhập 802.11g sẽ làm việc với các bộ thích ứng mạng vô tuyến 802.11a. Tuy nhiên, 802.11g sử dụng OFDM, lược đồ điều chế và mã hóa của 802.11a. Cả các điểm truy nhập và các Card LAN đều phù hợp với cả ba chuẩn để tránh không tương thích. Họ chuẩn 802.11a/b/g được xem như là Wi-Fi, cho độ tin cậy vô tuyến.

4.3.5 Wimax

Wimax là khả năng khai thác liên mạng toàn cầu đối với truy nhập vi ba. Wimax là một công nghệ không dây dựa trên chuẩn 802.16 cung cấp các kết nối băng rộng thông lượng cao qua khoảng cách xa. Công nghệ Wimax bao gồm các sóng vi ba để truyền dữ liệu không dây. Wimax được dùng cho một số ứng dụng như kết nối băng rộng đầu cuối, các hotspot và các kết nối tốc độ cao cho các khách hàng kinh doanh. Nó cung cấp kết nối mạng vùng thành thị không dây MAN với tốc độ lên tới 70Mbps và các trạm gốc Wimax trung bình có thể bao phủ từ 5 đến 10km.

Các chuẩn cố định và di động đều được sử dụng trong cả băng tần cấp phép và không cấp phép. Tuy nhiên miền tần số cho chuẩn cố định là 2-11GHz trong khi chuẩn di động là dưới 6GHz. IEEE 802.16 định nghĩa các lớp vật lý khác nhau:

- Wireless MAN-SC layer - Wireless MAN-SCa layer - WirelessMAN-OFDM Layer - WirelessMAN-OFDMA Layer - Wireless HUMAN

Những lớp vật lý được định nghĩa chi tiết bao gồm 5 loại trong đó hiện nay sử dụng chủ yếu loại thứ 3 và thứ tư. Hai loại này dựa chủ yếu trên nguyên lý OFDM và OFDMA. Các đặc tính chính của lớp vật lí này bao gồm:

- Hỗ trợ TDD và FDD - TDMA UL, TDM DL

- Điều chế khối thích ứng và mã hóa FEC cho cả đường UL và DL

- Truyền theo khung để cải thiện sự cân bằng (một chiều) và thực hiện ước lượng kênh qua NLOS và mở rộng môi trường trễ trải phổ.

- Mã hóa soắn FEC sử dụng mã Reed Solomon và chèn Pragmatic TCM - FEC sử dụng tùy chọn BTC và CTC

- Không sử dụng FEC tùy chọn sử dụng ARQ để điều khiển lỗi. - Tùy chọn tính phân tập chuyển tiếp STC.

- Ngoại trừ các yêu cầu khác, quá trình truyền tin tương tự cho cả hướng đường lên UL và đường xuống DL.

Lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM dựa trên điều chế OFDM được thiết kế để hoạt động cho đường truyền trong phạm vi không truyền thẳng NLOS trong dải tần từ 2-11 GHz. Hỗ trợ song công TDD, FDD.

Lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDMA: dựa trên kỹ thuật điều chế OFDMA được thiết kế để hoạt động đối với đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS trong dải tần 2-11 GHz. Trong dải tần được cấp phép, hai phương pháp song công được sử dụng là FDD và TDD, FDD SSs có thể là bán song công (H-FDD). Trong dải tần không cấp phép, sử dụng phương pháp song công TDD.

Các băng tần được cấp phép - 2.3GHz (2.3-2.4) - 2.5GHz (2.5-2.7) - 3.5GHz (3.4-3.7) Các băng tần không cấp phép - 3.5GHz(3.65-3.70) - 5.8GHz (5.725-5.85)

IEEE 802.16e hoạt động trong băng tần không cấp phép 2.3GHz, 2.5GHz và 3.5GHz.6.8Kiến trúc Wimax

4.3.5.1 Cấu hình mạng WiMax

Công nghệ Wimax hỗ trợ mạng PMP và một dạng của cấu hình mạng phân tán là mạng lưới MESH.

Cấu hình mạng điểm - đa điểm (PMP)

PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và nhiều SS nhỏ hơn. Người dùng có thể ngay lập tức truy nhập mạng chỉ sau khi lắp đặt thiết bị người dùng. SS có thể sử dụng các anten tính hướng đến các BS, ở các BS có thể có nhiều anten có hướng tác dụng theo mọi hướng hay một cung. Với cấu hình này trạm gốc BS là điểm trung tâm cho các trạm thuê bao SS. Ở hướng DL có thể là quảng bá, đa điểm hay đơn điểm. Kết nối của một SS đến BS được đặc trưng qua nhận dạng kết nối CID.

Hình 4.16 Cấu hình điểm-đa điểm

Cấu hình mắt lưới MESH

Với cấu hình này SS có thể liên lạc trực tiếp với nhau. Trạm gốc Mesh BS kết nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH Một số điểm phân biệt

- Neighbor: Kết nối trực tiếp đến một node mạng - Neighborhood: Tất cả các neighbor khác

- Extended neighborhood: Tất cả các neighbor từ neighborhood

Kiểu MESH khác PMP là trong kiểu PMP các SS chỉ liên hệ với BS và tất cả lưu lượng đi qua BS trong khi trong kiểu MESH tất cả các node có thể liên lạc với mỗi node khác một cách trực tiếp hoặc bằng định tuyến nhiều bước thông qua các SS khác. Một hệ thống với truy nhập đến một kết nối backhaul được gọi là Mesh BS, trong khi các hệ thống còn lại được gọi là Mesh SS. Dù cho MESH có một hệ thống được gọi là Mesh BS, hệ thống này cũng phải phối hợp quảng bá với các node khác.

Hình 4.17 Cấu hình măt lưới MESH

Backhaul là các anten điểm-điểm được dùng để kết nối các BS được định vị qua khoảng cách xa.Một mạng MESH có thể sử dụng hai loại lập lịch quảng bá. Với kiểu lập lịch phân tán, các hệ thống trong phạm vi 2 bước của mỗi cell khác nhau chia sẻ cách lập lịch và hợp tác để đảm bảo tránh xung đột và chấp nhận tài nguyên.MESH lập lịch tập trung dựa vào Mesh BS để tập hợp các yêu cầu tài nguyên

từ các Mesh SS trong một dải bất kì và phân phối các yêu cầu này với khả năng cụ thể. Khả năng này được chia sẻ với các Mesh SS khác mà dữ liệu của người dùng được chuyển tiếp thông qua các Mesh SS đó trao đổi với Mesh BS.Trong kiểu MESH, phân loại QoS được thực hiện trên nền tảng từng gói hơn là được kết hợp với các liên kết như trong kiểu PMP. Do đó chỉ có một liên kết giữa giữa hai node Mesh liên lạc với nhau.

Mô hình phân lớp

Hình 7.3 miêu tả phân lớp giao thức Wimax cho hai lớp cuối cùng

Hình 4.18 Lớp giao thức WiMax trong hai lớp cuối 4.3.5.2 Một số đặc điểm kỹ thuật của Wimax

a. Lớp vật lý

IEEE 802.16 định nghĩa các lớp vật lý khác nhau: - Wireless MAN-SC layer

- Wireless MAN-SCa layer - WirelessMAN-OFDM Layer - WirelessMAN-OFDMA Layer - Wireless HUMAN

Wireless MAN-SC layer: dựa trên công nghệ sóng mang đơn được thiết kế cho đường truyền hoạt động trong tầm nhìn thẳng LOS trong dải tần số cao từ 10- 66GHz. Hỗ trợ song công TDD, FDD.

Lớp vật lý vô tuyến MAN-Csa: dựa trên công nghệ sóng mang đơn và được thiết kế cho đường truyền NLOS trong băng tần 2-11 GHz. Hỗ trợ song công TDD, FDD.Các đặc tính trong lớp vật lí này bao gồm:

- Hỗ trợ TDD và FDD - TDMA UL

- TDM DL

- Điều chế khối thích ứng và mã hóa FEC cho cả đường UL và DL

- Truyền theo khung để cải thiện sự cân bằng (một chiều) và thực hiện ước lượng kênh qua NLOS và mở rộng môi trường trễ trải phổ.

- Kí hiệu được đóng thành gói.

- Mã hóa soắn FEC sử dụng mã Reed Solomon và chèn Pragmatic TCM - FEC sử dụng tùy chọn BTC và CTC

- Không sử dụng FEC tùy chọn sử dụng ARQ để điều khiển lỗi. - Tùy chọn tính phân tập chuyển tiếp STC.

- Ngoại trừ các yêu cầu khác, quá trình truyền tin tương tự cho cả hướng đường lên UL và đường xuống DL.

Lớp vật lý vô tuyến HUMAN: Tần số kênh trung tâm theo công thức: - Kênh tần số trung tâm (MHz) = 5000 + 5 . nch (n= 0 - 199)

- Độ rộng kênh là 5 MHz, dải tần công tác là 5-6 GHz.

Wimax Forum đã quyết định rằng các mặt phẳng kiểm tra tính tương tác đầu tiên và các chứng nhận cuối cùng sẽ hỗ trợ FFT OFDM PHY 256 điểm (chung giữa IEEE802.16-2004 và ETSI HiperMAN) với Wimax cố định và OFDMA, SOFDMA đối với Wimax di động.

b. Lớp MAC

Lớp MAC là hướng kết nối bao gồm ba phân lớp con. Lớp con hội tụ dịch vụ riêng (SSCS) cung cấp mọi sự biến đổi hay ánh xạ dữ liệu mạng ngoài, nhận dữ lệu mạng ngoài qua điểm truy nhập dịch vụ CS SAP, các MAC SDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ) được nhận bởi lớp con phần chung MAC CPS thông qua MAC SAP. Bao gồm việc phân loại các SDU mạng ngoài và kết hợp chúng với nhận dạng luồng dịch vụ MAC thích hợp (SFID) và nhận dạng kết nối (CID). Nó có thể cũng bao gồm các

Công nghệ chuyển mạch mềm

Các thành phần của SIP