Công nghệ wimax

QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP KHÔNG DÂY 19 1.1 Quá trình phát triển của các mạng truy nhập không dây

Công nghệ di động tế bào

Quá trình phát triển của hệ thống di động bắt đầu với các hệ thống di động thế hệ hai (2G), trong đó GSM là hệ thống đầu tiên được chuẩn hóa tại Châu Âu vào năm 1989 và chính thức triển khai vào năm 1992 GSM sử dụng công nghệ TDMA và nhảy tần chậm kết hợp với điều chế thoại bằng FSK, giúp thuận tiện cho việc Roaming giữa các quốc gia Trong khi đó, tại Mỹ, sự phát triển các chuẩn di động số thế hệ hai gây ra nhiều tranh cãi, dẫn đến sự ra đời của các chuẩn không tương thích Chuẩn IS-54, hoàn thành vào năm 1992 và triển khai vào năm 1994, đã kết hợp TDMA với FDMA để cải thiện chuyển giao và điều khiển tín hiệu, trở thành chuẩn tế bào di động kỹ thuật số Bắc Mỹ.

Vào đầu những năm 1990, Qualcomm đã đề xuất một chuẩn cạnh tranh cho các hệ thống 2G dựa trên CDMA, được gọi là IS-95 hay IS-95A Chuẩn này hoàn thành vào năm 1993 và được triển khai thương mại dưới tên CDMAOne vào năm 1995.

Chuẩn di động tế bào kỹ thuật số thế hệ hai tại Nhật Bản, được biết đến với tên gọi PDC, được thiết lập vào năm 1991 và chính thức triển khai vào năm 1994 PDC tương tự như chuẩn IS-136 nhưng sử dụng các kênh thoại 25KHz, tương thích với các hệ thống tương tự của Nhật Bản.

Hệ thống này hoạt động trong cả các băng tần 900MHz và 1500MHz (Hình 1.1 mô tả sự phát triển hệ thống thông tin di động thế giới, từ năm 1983-

Trong băng tần 900MHz, có hai chuẩn chính là IS-54, kết hợp giữa TDMA và FDMA với điều chế khóa chuyển pha, và IS-95 (hay IS-95a) sử dụng CDMA chuỗi trực tiếp với điều chế và mã hóa nhị phân Đối với băng tần 2GHz PCS, các nhà cung cấp dịch vụ có thể lựa chọn sử dụng một chuẩn hiện có hoặc triển khai các hệ thống độc quyền dựa trên phổ mà họ đã mua Kết quả là có ba chuẩn di động tế bào khác nhau cho băng tần này, bao gồm IS-136, tương tự như IS-54 nhưng hoạt động ở tần số cao hơn.

95 và chuẩn GSM Châu Âu

Vào cuối những năm 1990, hệ thống 2G được phát triển theo hai hướng chính: chuyển sang tần số cao hơn và sửa đổi để hỗ trợ dịch vụ dữ liệu Năm 1994, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) bắt đầu bán đấu giá phổ băng tần 1.9GHz cho các hệ thống di động tế bào, cho phép các nhà khai thác lựa chọn chuẩn khác nhau như GSM, IS-136 và IS-95, dẫn đến khó khăn trong việc Roaming trong nước Các hệ thống GSM hoạt động trong băng tần PCS được xem là hệ thống PCS 1900, trong khi các chuẩn IS-136 và IS-95 cũng được chuyển sang băng PCS với tên gọi giữ nguyên Châu Âu cũng cấp phát thêm phổ di động tế bào trong băng 1.8GHz.

Chuẩn băng tần GSM 1800 hay DCS 1800, thuộc hệ thống di động tế bào số, sử dụng GSM làm chuẩn cơ bản với một số điều chỉnh để cho phép chồng lấn giữa các tế bào vi mô và vĩ mô Các điện thoại không dây thế hệ hai như DECT, hệ thống truyền thông truy cập cá nhân (PACS) và hệ thống điện thoại cầm tay cá nhân (PHS) cũng hoạt động trong băng tần 1.9GHz, nhưng chủ yếu hỗ trợ các dịch vụ tổng tài nhánh riêng (PBX).

Chuẩn IS-95 đã được cải tiến để cung cấp dịch vụ dữ liệu thông qua việc gán nhiều chức năng trải phổ trực giao cho người dùng Tốc độ dữ liệu tối đa đạt 115.2Kbps, tuy nhiên trong thực tế, tốc độ thường chỉ đạt khoảng 64Kbps Sự phát triển này được gọi là IS-95b.

Hình 1.1 Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động trên thế giới [1]

Sự phân đoạn chuẩn và băng tần trong hệ thống 2G đã thúc đẩy Liên Minh Viễn Thông Quốc Tế vào cuối năm 1996 xây dựng thành công kế hoạch cho một băng tần toàn cầu Kế hoạch này nhằm chuẩn hóa hệ thống di động tế bào số hóa thế hệ ba (3G), được gọi là Viễn Thông Di Động Quốc Tế 2000.

IMT-2000 không chỉ cung cấp dịch vụ thoại mà còn hỗ trợ tốc độ dữ liệu Mbps, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng như truy cập Internet băng rộng, trò chơi tương tác và giải trí với hình ảnh, âm thanh chất lượng cao.

Chuẩn CDMA2000, được phát triển từ CDMAOne, mở rộng khả năng cho công nghệ 3G CDMA2000 1X, hay CDMA2000 1XRTT, sử dụng kênh vô tuyến 1.25MHz, tương thích với hệ thống CDMAOne, và gấp đôi dung lượng thoại so với CDMAOne, cung cấp dịch vụ thoại tốc độ cao với tốc độ đỉnh lên đến 300Kbps và tốc độ thực tế khoảng 144Kbps Công nghệ CDMA2000 1XEV phát triển hai giai đoạn, trong đó giai đoạn đầu tiên, CDMA2000 1XEV-DO, hỗ trợ tốc độ dữ liệu xuống đến 3Mbps và tốc độ dữ liệu lên đến 1.8Mbps, với tốc độ trung bình khoảng 2.4Mbps Giai đoạn thứ hai, CDMA 1XEV-DV, hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 4.8Mbps và tích hợp người dùng thoại và dữ liệu trong cùng một kênh Một nâng cấp khác, CDMA2000 3X, dự kiến sẽ gộp ba kênh 1.25MHz thành một kênh 3.75MHz, với các chi tiết kỹ thuật vẫn đang trong quá trình triển khai.

WCDMA là chuẩn 3G cạnh tranh với CDMA2000, được chọn làm sự kế thừa cho GSM và được xem là hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS Nó cũng được áp dụng tại FOMA Nhật Bản và các hệ thống điện thoại 3G khác WCDMA hỗ trợ tốc độ đỉnh lên đến 2.4Mbps, với tốc độ đặc trưng khoảng 384Kbps Khác với CDMA2000 sử dụng kênh 1.25MHz, WCDMA sử dụng các kênh 5MHz Bên cạnh đó, WCDMA còn có các nâng cấp như HSDPA và HSUPA, cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới 9Mbps, có thể là nền tảng cho các hệ thống 4G trong tương lai.

DỮ LIỆU GÓI TÍCH HỢP ĐA PHƯƠNG TIỆN DI ĐỘNG

Hình 1.2 Quá trình phát triển của các mạng di động tế bào

3GPP (UTMS/WCDMA) đã triển khai HSDPA và HSUPA trên các mạng UTMS hiện tại, mang lại tốc độ dữ liệu cao Đối với mạng thế hệ tiếp theo, 3GPP đã phát triển một giải pháp lâu dài gọi là LTE, nhằm xem xét các lựa chọn cho mạng này Hiện tại, một số lựa chọn dựa trên công nghệ OFDM đang được thảo luận nhưng vẫn chưa được hoàn tất.

3GPP2 (CDMA2000) đang xem xét nhiều lựa chọn để phát triển từ các mạng 1×EV-DO Rev0 và Rev A Tổ chức phát triển giao diện không gian (AIE) trong 3GPP2 được giao nhiệm vụ đánh giá các phương án cho mạng thế hệ tiếp theo, trong đó có đa sóng mang (MC)-DO và Nx-HRPD Bên cạnh đó, tổ chức cũng thảo luận về các lựa chọn dựa trên OFDM Giải pháp FLASH-OFDM của Flarion, do Qualcomm phát triển, đã được đưa vào danh sách lựa chọn cho mạng 3GPP2.

Giải pháp 4G trong các mạng này hứa hẹn cung cấp tốc độ lên đến 100Mbps, dựa trên sự kết hợp của định dạng tín hiệu không gian-thời gian đa sóng mang Kiến trúc mạng bao gồm các mạng vi mô, vĩ mô, siêu nhỏ, cùng với mạng vùng gia đình (HAN) và mạng vùng cá nhân (PAN) Quá trình phát triển mạng tế bào được tóm tắt trong hình 1.2.

Xu hướng công nghệ không dây khác

Mạng truy nhập không dây băng rộng (BWA) là một loại mạng không dây hoạt động trong phổ vô tuyến có cấp phép, đóng vai trò quan trọng trước khi WiMAX (Sự tương tác toàn cầu đối với truy nhập vi ba) ra đời Các công nghệ không dây thuộc BWA bao gồm WLAN, WMAN, WPAN, IrDA và Bluetooth, giúp cung cấp kết nối mạng linh hoạt và hiệu quả.

Công nghệ WLAN (Wireless Local Area Network)

Mạng không dây băng rộng đầu tiên, hay WLAN, được phát triển dựa trên các chuẩn IEEE 802.11, cho phép chia sẻ và trao đổi dữ liệu giữa các máy tính qua sóng Radio hoặc hồng ngoại WLAN đã trở thành giải pháp thay thế cho mạng LAN hữu tuyến truyền thống, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới hàng chục Mbps trong khoảng cách vài chục mét Hiện nay, thiết bị WLAN đã được lắp đặt tại nhiều địa điểm đông người như khách sạn, nhà ga, sân bay và bến xe.

WLAN mang lại nhiều lợi ích như khả năng thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng mạng một cách đơn giản và tiết kiệm Nó cho phép thiết lập mạng tạm thời với tính cơ động cao, đặc biệt ở những khu vực khó đi dây, giúp tiết kiệm chi phí lắp đặt Việc cài đặt WLAN cũng dễ dàng, công nghệ này dễ hiểu và sử dụng Mặc dù LAN và WLAN có một số điểm khác biệt, nhưng các công nghệ áp dụng cho LAN cũng có thể áp dụng cho WLAN, với nhiều tính năng tương đồng và thường được kết nối với mạng Ethernet có dây Hiện tại, WLAN chưa phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam do hạn chế về cơ sở hạ tầng và chi phí, nhưng trong tương lai, WLAN hứa hẹn sẽ trở thành một công nghệ thay thế cho mạng LAN truyền thống.

Công nghệ WPAN (Wireless Personal Area Network)

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nhu cầu chia sẻ thông tin giữa các thiết bị ngoại vi ngày càng trở nên cần thiết Các thiết bị này thường đơn giản, chuyên dụng và không yêu cầu tốc độ cao, do đó việc sử dụng công nghệ mạng hiện có trở nên không phù hợp và tốn kém Mạng PAN (Personal Area Network) cho phép kết nối các thiết bị ở khoảng cách gần, thường chỉ vài mét, rất thích hợp để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính Các ứng dụng của WPAN (Wireless Personal Area Network) hiện nay phổ biến trong không gian văn phòng, với hai loại công nghệ chính: một sử dụng sóng hồng ngoại và một sử dụng sóng Radio.

Công nghệ IrDA (Infrared Data Association) là một giải pháp không dây sử dụng sóng hồng ngoại, được phát triển bởi tổ chức gồm hơn 160 thành viên toàn cầu nhằm tạo ra giao thức chuẩn cho truyền thông giá rẻ và khoảng cách ngắn IrDA có tốc độ truyền từ 9600bps đến 1Mbps trong khoảng cách 1 đến 2 mét, hiện nay đã được nâng cấp lên tới 4Mbps và khoảng cách cũng được mở rộng Để thiết bị có thể trao đổi thông tin qua cổng IrDA, chúng cần nằm trong tầm nhìn thẳng hoặc góc 30 độ với nhau, với yêu cầu tốc độ cao, xử lý đơn giản và chi phí thấp Nhờ vào những ưu điểm này, IrDA đã được tích hợp vào nhiều thiết bị như laptop, PDA và thiết bị ngoại vi Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng do những hạn chế trong cơ chế và điều kiện truyền.

Công nghệ này, được phát minh và phát triển bởi hãng Ericsson từ năm 1994, đã trở thành một chuẩn công nghiệp quan trọng Đến năm 1999, tổ chức liên quan đã chính thức ra đời, đánh dấu bước tiến lớn trong lĩnh vực này.

Bluetooth là một công nghệ không dây được chuẩn hóa bởi SIG (Special Interest Group), bao gồm nhiều công ty lớn như Sony Ericson, IBM, Intel, Nokia và Toshiba Khác với IrDA, Bluetooth sử dụng sóng Radio ở băng tần 2,4GHz (từ 2400MHz đến 2483,5MHz) và có tốc độ truyền dữ liệu lên đến 70Kbps trong khoảng cách 10m Ưu điểm nổi bật của Bluetooth so với IrDA là khả năng xuyên thấu tốt hơn của sóng Radio.

Hình 1.3 Xu hướng phát triển của mạng truy nhập vô tuyến

Các chuẩn cho hệ thống không dây băng thông rộng

Ba tổ chức chủ yếu chuẩn hóa mạng không dây băng rộng là IEEE, ETSI và 3GPP Trong khi IEEE và ETSI tập trung vào việc chuẩn hóa các mạng không dây dựa trên nền tảng mạng gói, 3GPP chủ yếu chuyên về các mạng tế bào và di động IEEE là tổ chức có nguồn gốc từ Mỹ, trong khi ETSI là tổ chức của Châu Âu, cả hai đều có tầm ảnh hưởng rộng rãi trên toàn cầu.

Hai băng tần không cấp phép 2.4GHz và 5GHz được giới thiệu vào năm 1997 Chuẩn 802.11 có hai phiên bản: phiên bản trải phổ nhảy tần (FHSS) và phiên bản trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS), cả hai đều hoạt động trong băng tần 2.4GHz.

Chuẩn 802.11b, được giới thiệu vào năm 1999, hoạt động trên băng tần 2,4GHz và hỗ trợ tốc độ tối đa lên tới 11Mbps Các thiết bị như AP và card mạng không dây tương thích với chuẩn này đã được cung cấp từ năm 1999, và hiện nay hầu hết các mạng WLAN đều hỗ trợ chuẩn 802.11b.

Tố c độ di độ n g (km/ h )

Tốc độ dữ liệu (Mbps)

Một trong những ưu điểm nổi bật của chuẩn 802.11b là khả năng phủ sóng rộng, lên đến 100m, với 14 kênh tiêu chuẩn Tại Mỹ, các kênh từ 1 đến 11 được sử dụng cho cấu hình điểm truy cập (AP), mỗi kênh chiếm một phần băng tần 2,4GHz để truyền tải tín hiệu Để tối ưu hóa hiệu suất mạng WLAN, các nhà thiết kế thường chọn các kênh 1, 6 và 11, vì đây là các kênh không chồng lẫn, giúp giảm thiểu nhiễu giữa các AP lân cận.

Chuẩn 802.11b gặp phải nhược điểm chủ yếu do nhiễu từ các thiết bị điện tử khác hoạt động trong băng tần 2,4GHz, dẫn đến chất lượng kết nối suy giảm Sử dụng phương thức DSSS, chuẩn này có độ rộng kênh vô tuyến 22MHz và khả năng chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu băng hẹp Mặc dù tốc độ truyền dẫn của 802.11b thấp hơn so với 802.11e, nhưng nó vẫn được ưa chuộng trong môi trường sản xuất, kinh doanh và dịch vụ nhờ chi phí thiết bị thấp và tốc độ đủ đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin như duyệt web, email, chat và nhắn tin.

Hình 1.4 Quy mô triển khai các chuẩn truy nhập

IEEE 802.15.3 UWB, Bluetooth Wi-Media, BTSIG, MBOA

3GPP (GPRS/UMTS) 3GPP2 (1X /CDMA2000) GSMA, OMA IEEE 802.22 RAN

IEEE 802.11a, hoàn thiện vào năm 1999, hoạt động trong băng tần 5GHz và sử dụng giao diện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), mang lại tốc độ dữ liệu tối đa 54Mbps với phạm vi phủ sóng khoảng 30m, nhưng thực tế người dùng chỉ đạt được khoảng 20Mbps Ưu điểm của 802.11a là khả năng cung cấp tới 8 hoặc 12 kênh không chồng chéo, cho phép hỗ trợ nhiều người dùng với yêu cầu chất lượng cao như video streaming Việc hoạt động ở băng tần 5GHz giúp 802.11a tránh được nhiễu từ các thiết bị như điện thoại di động và lò vi sóng, cải thiện chất lượng kết nối Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của nó là phạm vi phủ sóng hẹp hơn so với 802.11b/g, yêu cầu nhiều điểm truy cập hơn để phủ sóng cùng một diện tích địa lý Mặc dù tốc độ của 802.11a nhanh hơn, người dùng có thể trải nghiệm tốc độ giảm xuống còn khoảng 1Mbps hoặc 2Mbps khi ra ngoài tầm phủ sóng.

Chuẩn 802.11a và 802.11b không tương thích, khiến các máy trạm và điểm truy cập của hai chuẩn này không thể kết nối Để giải quyết vấn đề này, một số nhà sản xuất đã phát triển card mạng không dây hỗ trợ nhiều chế độ cho cả 802.11a và 802.11b.

Chuẩn này, được chuẩn hoá vào năm 2001, đã thực hiện việc chuẩn hoá một số khía cạnh liên quan đến Lớp vật lý, bao gồm phân kênh (Channelization) và mẫu nhảy tần (Hopping Patterns) Mục tiêu của chuẩn này là mở rộng hoạt động của WLAN 802.11 tại những quốc gia chưa có quy định cụ thể về việc triển khai ứng dụng 802.11.

AP có thể cung cấp thông tin cho người dùng biết số hiệu kênh hợp pháp và mức truyền tương ứng

IEEE 802.11c cung cấp kỹ thuật bắc cầu giữa các mạng WLAN, cho phép tạo thành một mạng riêng Bằng cách sử dụng chuẩn 802.11c giữa nhiều điểm truy cập (AP) trong một mạng hữu tuyến truyền thống, các AP có thể hoạt động kết hợp, giúp các thiết bị kết nối với các AP khác nhau dễ dàng trao đổi dữ liệu.

IEEE 802.11e nâng cao chất lượng dịch vụ trên mạng WLAN thông qua cả chế độ DCF và PCF, mở rộng khả năng của lớp MAC trong chuẩn hiện tại Điều này giúp hỗ trợ tốt hơn cho các ứng dụng yêu cầu QoS, đồng thời cải thiện tính bảo mật, khả năng và hiệu quả của giao thức.

Chuẩn 802.11f, được hoàn thiện vào năm 2003, áp dụng cho mạng WLAN di động lớn, cho phép sử dụng thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau Giao thức IAPP (Inter Access Point Protocol) mở rộng khả năng liên kết vô tuyến giữa các điểm truy cập (AP) thông qua hệ thống phân phối DS (Distribution System) Điều này đảm bảo việc trao đổi thông tin liên tục và bảo mật giữa các AP hiện tại và AP mới trong quá trình chuyển giao Mức độ bảo mật được quản lý thông qua các khoá mã do máy chủ RADIUS (Remote Authentication Dial In User Service) thiết lập, đồng thời máy chủ này cũng thực hiện dịch vụ ánh xạ giữa địa chỉ MAC của các AP và địa chỉ IP Chuẩn 802.11f là cần thiết cho các mạng WLAN có phạm vi rộng.

IEEE 802.11g, ra mắt năm 2003, mang đến các lược đồ điều chế và giao diện không gian tương tự như IEEE 802.11a nhưng hoạt động trong băng tần ISM 2.4GHz Mặc dù có sự khác biệt so với IEEE 802.11b, 802.11g vẫn tương thích với chuẩn này và cải thiện tốc độ dữ liệu lên tới 54Mbps nhờ vào phương thức ghép kênh theo tần số trực giao OFDM Một trong những ưu điểm nổi bật của 802.11g là khả năng tương thích với các mạng không dây 802.11b hiện có, cho phép nâng cấp thiết bị truy cập AP một cách dễ dàng và cho phép các thiết bị của hai chuẩn này hoạt động đồng thời trong cùng một băng tần 2,4GHz.

Cả 802.11b và 802.11g đều chịu ảnh hưởng từ nhiễu vô tuyến do các thiết bị điện tử khác hoạt động trong băng tần 2,4GHz, và bị giới hạn bởi số lượng chỉ ba kênh vô tuyến không bị chồng lẫn, dẫn đến dung lượng của 802.11g thấp hơn so với 802.11a.

Chuẩn IEEE 802.11i, được chuẩn hoá vào năm 2004, nhằm nâng cao cơ chế nhận thực và bảo mật cho mạng 802.11, thay thế các phương pháp bảo mật cũ như WEP Chuẩn này sử dụng giao thức khoá tạm thời để đồng bộ hoá các thay đổi khoá giữa các trạm và điểm truy cập (AP), đồng thời áp dụng chuẩn mã hoá tiên tiến AES (Advanced Encryption Standard) Nhờ đó, IEEE 802.11i cung cấp mức bảo vệ vượt trội hơn so với các chuẩn trước đó.

IEEE 802.15 quy định về các hệ thống mạng cá nhân không dây (WPAN), bao gồm ba loại mạng khác nhau dựa trên tốc độ dữ liệu, tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ (QoS).

IEEE 802.15.3 chỉ ra WPAN tốc độ dữ liệu cao phù hợp cho truyền thông đa phương tiện với QoS rất cao

IEEE 802.15.1 chỉ định WPAN tốc độ dữ liệu trung bình với QoS trung bình Nó được so sánh với Bluetooth

IEEE 802.15.4 chỉ định WPAN có QoS thấp và tốc độ dữ liệu thấp [5]

So sánh các chuẩn công nghệ

Bảng 1.1 So sánh các chuẩn mạng không dây Đặc điểm 802.11 (WiFi) 802.16-2004 802.16e 802.20

Mục tiêu ứng dụng, và phạm vi

LAN, Lên đến 100m tối ưu cho LAN trong nhà

MAN, Tối đa 50km (LOS), Bán kính tế bào, 7- 10km (gần LOS), 2-5km (NLOS)

MAN, Bán kính tế bào, 2-5km, 1km trong nội thành mật độ cao

WAN, Một vài dặm Điều kiện kênh truyền, và phổ

LOS ngoài trời, 2.4GHz và 5GHz (không cấp phép)

N LOS, 2-11GHz (Không cấp phép và có cấp phép)

NLOS, 2-6GHz (không cấp phép và có cấp phép)

Hỗ trợ tính di động

Cố định Cố định- dùng cổng

Tính di động cho phương tiện giao thông

Tính di động phương tiện giao thông Roaming

Tốc độ bit 54Mbps trong băng thông 20MHz

75Mbps trong băng thông 20MHz

15Mbps trong băng thông 5MHz