2. TỔ CHỨC CỦA LUẬN VĂN
2.4.2.1 Khả năng cấu hình tại End – to – End (E2R: End – to – End
Reconfigurability)
Khả năng cấu hình lại End – to – End cung cấp nền tảng và môi trường thực thi ñể giả quyết những vấn ñề: Nhiều giao diện vô tuyến, các giao thức và ứng dụng, ñể người dùng, nhà khai thác, nhà cung cấp dịch vụ, người ñiều chỉnh có thể tự do lựa chọn ñịnh dạng sử dụng và hoạt ñộng từ khả năng cấu hình lại và các tùy chọn mở rộng trong một phạm vi rộng các thiết bị ñầu cuối không dây ña hệ thống: mạng ñiện thoại tế bào, WLAN, truyền hình số.
E2R cho phép người dùng có thể cấu hình lại các giao thức và các dịch vụ, các chức năng quản lý và ñiều khiển then chốt, chức năng tải dữ liệu.
E2R cung cấp nền tảng chung và môi trường thực thi ñể ñiều khiển dao diện vô tuyến, các giao thức và ứng dụng, do ñó lợi ích của nó là nâng cao khả năng mở rộng và khả năng cấu hình lại cơ sở hạ tầng. Điều ñó ñem lại khả năng triển khai nhiều chức năng trong mạng và thiết bị ñầu cuối thông qua cập nhật phần mềm. Lợi ích cụ thể cho người dùng, nhà khai thác, nhà cung cấp dịch vụ, nhà sản xuất và người ñiều chỉnh ñược phân loại như sau:
+ Cung cấp cho người dùng cuối cùng các dịch vụ linh ñộng, tiên tiến, hiệu quả.
+ Sử dụng hiệu quả phổ tần, các hệ thống vô tuyến, tài nguyên thiết bị. + Chi phí ñể nâng cấp hệ thống hiện tại thấp.
+ Triển khai nền tảng ña tiêu chuẩn. + Nâng cao hỗ trợ các yêu cầu tùy biến.
+ Khả năng ñáp ứng các thay ñổi tiêu chuẩn và sự không ổn ñịnh của xu hướng thị trường.
So sánh với các hệ thống thông tin di ñộng hiện tại thì cần mức ñộ cao hơn về tính linh ñộng, khả năng mở rộng, khả năng cấu hình và hoạt ñộng tương tác,
ñồng thời phải hỗ trợ sự truy cập vô tuyến ñồng nhất có mức ñộ phổ biến cao. Để ñạt ñược ñặc trưng của E2R cần giải quyết hai vấn ñề:
+ Ngăn xếp giao thức: một ngăn xếp giao thức linh ñộng có thể ñiều khiển hỗ trợ nhiều giao diện vô tuyến.
+ Tối ưu hóa chức năng cấu hình lại: chức năng không thống nhất gần ñây ñược phát triển cho các thiết bị vô tuyến cần có kích thước tối ưu, chức năng cấu hình lại phải ñược tối ưu hóa dựa trên tài nguyên ñã sử dụng.
2.4.2.2 Kỹ thuật sóng vô tuyến ñược ñịnh nghĩa mềm (SDR – Software Difined Radio)
Kỹ thuật vô tuyến ñược ñịnh nghĩa mềm cho phép các mạng không bị gián ñoạn và hỗ trợ nhiều lược ñồ truyền thông vì dễ dàng mở rộng trạm gốc, ñiều khiển linh ñộng giao diện vô tuyến, sự hỗ trợ của thiết bị ñầu cuối và khả năng có thể mở rộng của nhiều hệ thống. Ngoài ra, kỹ thuật này còn cho phép cấu hình lại thiết bị ñầu cuối, cung cấp một phương tiện hiệu quả ñể mở rộng chức năng hoạt ñộng ña chế ñộ. Sự thay ñổi các chức năng ñầu cuối ñược thực hiện bằng việc tải phần mềm và nâng cấp cho thiết bị ñầu cuối.
Những thách thức kỹ thuật cần phải giải quyết ñể triển khai thực tế kỹ thuật vô tuyến ñịnh nghĩa mềm gồm có: kiến trúc máy phát/máy thu, các kỹ thuật ñể xây dựng chức năng vô tuyến trong phần mềm, các kỹ thuật ñiều chế/giải ñiều chế ña chế ñộ dựa trên phần mềm, các kỹ thuật thu/phát, và các phương thức tải dữ liệu. Trước ñây SDR ñược phát triển và sử dụng cho truyền thông trong quân ñội. Sau này, có sự ñề nghị của Forum SDR ở Mỹ và ủy ban Kỹ thuật sóng vô tuyến mềm của Viện các kỹ sư tuyền thông và thông tin ñiện tử, SDR ñã ñược sử dụng trong các ứng dụng dân dụng.
SDR là kỹ thuật cho phép một thiết bị sử dụng một sóng ñơn có thể thay ñổi chức năng của nó bằng việc nạp lại phần mềm, tương tự như máy tính cá nhân, ñể
ñiều khiển các lược ñồ sóng vô tuyến ñược sử dụng cho các dịch vụ truyền thông
Ví dụ có nhiều hệ thống vô tuyến cộng ñồng: PDC (Personal Digital Enhanced), GSM, PHS (Personal Handyphone System), DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) và các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ thứ 3 – ITM-2000.
Tuy nhiên, các hệ thống này sử dụng các băng tần, lược ñồ ñiều chế, giao thức truyền thông khác nhau do ñó các thiết bị ñầu cuối cho mỗi hệ thống này không sử dụng dịch vụ của hệ thống khác ñược.
SDR cho phép ñiều khiển các hệ thống vô tuyến khác nhau trên một thiết bị ñầu cuối ñơn, và dễ dàng cập nhập phiên bản phần mềm từ hệ thống. Do ñó, SDR giải quyết ñược vấn ñề không thống nhất hệ thống vô tuyến. SDR hứa hẹn một môi trường thông tin di ñộng không gián ñoạn.
Hình 2.21 Cấu hình cơ bản của thiết bị SDR
Trong ñó:
+ Multi-band antennal: ăng ten ña băng tần + Antennal part: khối ăng ten
+ RF part: khối RF
+ Multi-band RF ciruit: mạch RF ña băng tần
+ A/D, D/A: khối chuyển ñổi tương tự/số và chuyển ñổi số/tương tự + Programmable Processor: Bộ xử lý có thể lập trình
+ External interface part: khối giao diện ngoài + Control part: Khối ñiều khiển
Kỹ thuật trên thiết bị vô tuyến ñược cấu hình các mạch số và tương tự với sóng vô tuyến có thể linh ñộng và có thể lập trình nhờ sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Điều ñó có một số lợi ích sau:
+ Do một thiết bị ñầu cuối ñơn có thể hỗ trợ nhiều hệ thống vô tuyến nên cùng một phần cứng có thể ñược sử dụng ở mọi nơi trên thế giới.
+hệ thống vô tuyến tối ưu sẽ ñược thiết lập một cách tự ñộng và tài nguyên hạn chế (như công suất, phổ tần …) ñược sử dụng một cách hiệu quả.
+ Người dùng có thể sử dụng các dịch vụ vô tuyến mà không cần có sự hiểu biết về nhà khai thác hoặc mạng cung cấp dịch vụ.
Các khó khăn về kỹ thuậ:
Một thiết bị SDR ñiển hình ñược xây dựng bằng các thiết bị số có thể lập trình như: CPU, DSP (Digital Signal Processor: bộ xử lý số) hoặc FPGA, các mạch ñiện vô tuyến như các bộ ñiều chế/ giải ñiều chế ñược chuyển mạch bằng phần mềm, nhưng các mạch RF gồm các ăng ten thì cần ñược xây dựng bằng các mạch ñiện tương tự [4].
Ngoai ra, các băng tần khác nhau ñược sử dụng cho các hệ thống hiện tại, do ñó các hệ thống thông tin di ñộng ñược triển khai SDR thì một dải rộng các băng tần bao phủ từ các băng UHF/VHF ñến hàng GHz ñược sử dụng. Vì lý do này mà các mạch ñiện RF của các thiết bị SDR cần có các mạch ñiện RF ña băng tần có khả năng hỗ trợ các ñặc trưng về bộ lọc/công suất phát/tần số có thể biến ñổi ñể ñiều khiển nhiều hệ thống thông tin (khả năng ña chế ñộ).
Một số thiết bị ñầu cuối ña chế ñộ tương thích với nhiều hệ thống vô tuyến ñã ñược thương mại rộng rãi, ví dụ: thiết bị ñầu cuối ở Mỹ tương thích với các hệ thống vô tuyến: AMPS băng tần 800MHz, CDMA2000 băng tần 800MHz và băng 2GHz. Tuy nhiên, những thiết bị ñầu cuối này có khả năng ña chế ñộ bằng việc kết
hợp các phần cứng riêng cho từng hệ thống, và chúng không có ñặc trưng riêng của SDR là thay ñổi chức năng bằng phần mềm. SDR không cần triển khai nhiều phần cứng ñể hỗ trợ nhiều hệ thống mà mục ñích cuối cùng là tích hợp các phần cứng riêng ñó thành một [6]. Cuối cùng, cần phát triển các bộ xử lý có thể cấu hình lại một cách tự ñộng và các kỹ thuật nạp phần mềm an toàn ñể thực hiện nhiều loại truyền thông khác nhau bằng cách thay ñổi tùy ý phần mềm tùy thuộc vào môi trường truyền thông.
2.4.3 Điều khiển chuyển giao/Tính di ñộng
Các kỹ thuật ñiều khiển chuyển giao, ñặc biệt là chuyển giao nhanh là những kỹ thuật cho phép chuyển giao ở tốc ñộ cao hơn ñể triển khai các dịch vụ truyền thông không dây tốc ñộ cao và không gián ñoạn. Các kỹ thuật này có thể ñược áp dụng cho các khu vực: Các dịch vụ truyền thông dung lượng lớn không gián ñoạn như tải dữ liệu tốc ñộ cao trong máy bay, tàu hỏa, xe bus, ô tô và các ñối tượng chuyển ñộng tốc ñộ cao khác, hoặc các dịch vụ truyền thông dung lượng lớn không gián ñoạn khi có số lượng lớn người dùng di chuyển trong các ñối tượng ñược coi là nằm trong một mạng chuyển ñộng; các dịch vụ truyền thông dựa trên SDR thực hiện ñược nhờ chuyển giao không gián ñoạn giữa các mạng không ñồng nhất; các dịch vụ truyền thông không gián ñoạn trong các tế bào ba chiều mật ñộ cao.
Thách thức ñối với các kỹ thuật chuyển giao nhanh là: thực hiệ chuyển giao nhưng duy trì ñược chất lượng dịch vụ (QoS); và chuyển giao nhanh ñể triển khai truyển giao trong khi di chuyển ở tốc ñộ cao; thực hiện chuyển giao hiệu quả cho các mạng chuyển ñộng nơi có số lượng lớn người sử dụng di chuyển trên tàu hỏa, xe bus …; chuyển mạch ñịnh tuyến gói tốc ñộ cao; các kỹ thuật bù mất gói; chuyển giao tuần tự giữa các mạng di ñộng và các trạm gốc cố ñịnh; sự nhận diện tế bào tốc ñộ cao bên trong và bên ngoài mạng di ñộng; và các kỹ thuật lựa chọn tế bào nhanh. Điều khiển di ñộng là kỹ thuật ñể lưu vết sự di chuyển của thiết bị ñầu cuối, thiết bị kết nối thông qua một mạng thích hợp, và thực hiện truyền thông. Đặc biệt, các kỹ thuật: IPv6 di ñộng thực hiện tính di ñộng khi toàn bộ mạng của người dùng
nằm trong tàu hỏa, xe bus … ñang ñược chú ý ñể nghiên cứu và phát triển dựa theo giả thiết rằng mạng IP sẽ ñược cải tiến hơn nữa.
2.4.3.1 Kỹ thuật chuyển giao liên tục
IP di ñộng là giao thức ñiển hình hỗ trợ thiết bị ñầu cuối chuyển ñộng trong các mạng IP. IP di ñộng thực thi chuyển giao trong lớp IP, do ñó nó ñược ứng dụng
ñể chuyển giao cho các mạng không ñồng nhất của thiết bị ñầu cuối chuyển ñộng
giữa các mạng truy cập khác nhau, bao gồm cả các mạng không dây và có dây cố ñịnh.
Hình 2.22 Mô hình tham chiếu IEEE 802.21
Chức năng chuyển giao liên tục dựa theo sự kiện L2 thực hiện phát hiện chuyển ñông nhanh và hiệu quả bằng việc thông báo cho các lớp cao hơn thông tin khác nhau trong lớp vật lý/lớp liên kết, cũng như là những sự kiện kết nối và ngắt kết nối của ñường truyền. Chức năng này có mục ñích thực hiện chuyển giao liên
tục giữa các mạng không ñồng nhất sử dụng IP di ñộng và các giao thức chuyển giao khác. Hiện nay, giao thức chuyển giao này ñược chuẩn hóa tại chuẩn IEEE 802.21. Kiến trúc của IEEE 802.21 mô tả ở hình 2.22.
Chuyển giao ñộc lập môi trường MIH (Media Independent Handover) là một yếu tố ñể triển khai chuyển giao liên tục giữa các mạng không ñồng nhất. MIH thực hiện các chức năng sau:
+ Hỗ trợ kết nối tới các mạng tối ưu nhờ ñạt ñược các ñặc tính của ñường truyền hoặc của mạng (QoS), chi phí …) từ các thiết bị liên lạc (MS) hoặc thiết bị mạng (trạm gốc) và gửi các thông tin ñó lên lớp cao hơn.
+ Hỗ trợ chuyển giao nhanh nhờ gửi lên các lớp cao hơn các sự kiện chỉ ra sự thay ñổi của ñường truyền hoặc trạng thái mạng.
2.4.3.2 Kỹ thuật ñiều khiển tính di ñộng
IPv6 di ñộng là một kỹ thuật cho phép liên lac liên tục sử dụng cùng ñịa chỉ thường chú HoA (Home Address) ngay cả khi thiết bị ñầu cuối di chuyển sang một mạng có các host khác với IP.
IPv6 di ñộng bao gồm các yếu tố: Nút di ñộng MN (Mobile Node), nút trung gian CN (Correspondent Node) và tác nhân nhà HA (Home Agent). MN chỉ một trạm ñan di chuyển, CN là trạm ñang liên lạc với MN (CN có thể là một MN), và HA là một thiết bị duy trì vị trí của MN và truyền các gói tin.
Khi MN kết nối với mạng thường trú (mạng kết nối với HA), MN liên lạc trực tiếp với CN, khi ñó CN dùng ñịa chỉ thường trú HoA. Nếu MN di chuyển trong mạng mà MN chuyển tới, ñịa chỉ tạm thời CoA (Care-of Address) lấy ñược và ñăng kí với HA. HA chặn các gói tin gửi tới HoA sau ñó thêm vào gói tin mào ñầu (header) ñược ñánh ñịa chỉ CoA của MN (gọi là tạo ñường hầm – tunneling) và chuyển chúng tới MN.MN gửi gói tin ñược ñánh ñịa chỉ tới CN sử dụng ñường hầm theo hướng ngược lại. Những xử lý này ñược thực hiện một cách trong suốt với các lớp cao hơn lớp IP do ñó các ứng dụng vẫn liên lạc liên tuc với MN dùng ñịa chỉ HoA. Liên lạc bằng ñường ngắn hơn so với liên lạc qua HA có thể ñược thực hiện
thông qua sự tối ưu hóa ñường truyền RO (Route Optimization), là phương pháp MN ñăng ký trực tiếp CoA với CN.
Hình 2.23: IPv6 di dộng
Chú thích: + Bi-directional tunnel: Đường hầm hai chiều
+ Optimized router: Đường tối ưu
IPv6 di ñộng có thể hoạt ñộng qua nền IP một cách ñộc lập về phương tiện, do ñó, liên lac ñược giữ liên tục ngay cả khi thiết bị ñầu cuối ña chế ñộ di chuyển giữa các mạng khác nhau. Ngoài ra, liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị ñầu cuối cũng có thể ñược thiết lập bằng RO, ñiều này ñưa ra mức hiệu quả truyền thông cao hơn so với IPv4 di ñộng.
Với IPv6 di ñộng, vì vì chó trẽ trong truyền dẫn các thông ñiệp giữa MN và HA, và thời gian cần thiết ñể dò tìm sự chuyển ñộng của MN (thời gian dò chuyển ñộng) nên có một khoảng thời gian vài giây trong khi chuyển giao liên lạc không ñược thực hiện. Do ñó, chất lượng của các ứng dụng nhạy cảm với trẽ, như ñiện thoại IP, sẽ bị suy giảm nghiêm trọng.
Các kỹ thuật chuyển giao nhanh cho IPv6 di ñộng FMIPv6 (Fast Handover for mobile IPv6), IPv6 di ñộng phân cấp HMIPv6 (Hierarchical Mobile IPv6) là những kỹ thuật rút ngắn chuyển giao.
Hình 3.23 minh họa tổng quan về FMIPv6. FMIPv6 rút ngắn ñược thời gian chuyển giao bằng cách thu ñược CoA hợp lý ở ñích ñến (CoA mới) trước khi di chuyển. Ngoài ra, bằng việc chuyển các gói tin tới router truy cập (AR), AR mà MN kết nối trước khi di chuyển (Previous AR), trong thời gian chuyển giao tới ñích ñến mà các gói tin trước ñó chưa ñược phân phối sẽ ñược chuyển tới thiết bị ñầu cuối.
AR (Access Router): Bộ ñịnh tuyến truy cập (router phục vụ như là ñiểm kết nối ñể truy cập mạng).
Hình 2.24: Chuyển giao nhanh cho IPv6 di ñộng.
HMIPv6 là kỹ thuật giảm thời gian ñăng ký vị trí với HA bằng việc ñưa ra
ñiểm neo di ñộng MAP (Mobility Anchor Point), ñiểm này sẽ quản lý thông tin vị
trí của các thiết bị ñầu cuối trong một phạm vi xác ñịnh (MAP domain: miền MAP). Những thiết bị ñầu cuối chỉ cần ñăng ký vị trí với MAP khi chúng di chuyển trong
miền MAP. Nói chung vì MAP ñược ñặt gần những thiết bị ñầu cuối hơn HA nên giảm ñược trễ truyền dẫn.
Ngoài ra, cũng có nhiều vấn ñề bảo mật cần ñược giải quyết. Một hệ thống ñộc quyền: khả năng ñịnh tuyến ñường về RR (Return Routability) ñược sử dụng ñể chứng thực giữa MN và CN ở thời ñiểm tối ưu ñường ñi của RO, vì IPsec không sử dụng ñược do thiếu khóa PKI toàn cục (Global PKI). RR ñược xem là biện pháp
ñưa ra mức bảo mật ñầy ñủ cho sử dụng thực tế, tuy nhiên nó có nhiều ñiểm yếu
hơn so với IPsec.
2.4.3.3 Tính di ñộng mạng NEMO (Network Mobility
Trong khi IP di ñộng triển khai tính di ñộng cho thiết bị ñầu cuối thì NEMO triển khai tính di ñộng cho toàn mạng. Các yếu tố cấu thanh NEMO ñược minh họa ở hình 2.25. NEMO triển khai tính di ñộng có bộ ñịnh tuyến di ñộng MR (Mobile Router) và tác nhân nhà HA (Home Agent). MR chuyển tiếp liên lạc giữa các nút mạng di ñộng MNN (Mobile Network Node), các thiết bị ñầu cuối trong mạng di ñộng, và CN (Correspondent Node), các thiết bị ñầu cuối bên ngoài (External Terminals). HA quản lý vị trí của MR.
MR lấy ñược một CoA (Care of Address) mà ñược sử dụng tạm thời tại mạng tạm trú (mạng viếng thăm), và ñăng kí giá trị này trên HA cùng với ñịa chỉ