Đề tài Hệ thống thông tin di động 4G

Hệ th ố ng thông tin di độ ng 4G Tóm tắt Ngày nay xu thế phát triển của công nghệ đã đưa ra các giải pháp tối ưu về mạng và khả năng cung cấp các ứng dụng từ hệ thống mạng càng tăng cao, đặc biệt là các mạng không dây. Với những thiết bị đầu cuối di động như điện thoại, máy tính sách tay v..v..,người dùng có thể thực hiện các kết nối vô tuyến thông qua các nhà cung cấp dịch vụ. Cùng với khả năng truyền thông di động ngày càng được mở rộng nhờ sự phát triển của thông tin vô tuyến thì các hệ thống di động mới ra đời và được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G trong khi mạng tế bào di động 3G đã trở nên phổ biến và chuẩn bị được thay thế bởi một thế hệ mạng có khả năng khắc phục tất cả các nhược điểm của 3G, bao gồm một lượng lớn mạng truy cập, cung cấp kết nối tất cả các người dùng ở bất kỳ đâu, tại bất kỳ thời điểm nào. Đó chính là thông tin di động thế hệ 4G. Với tất cả các lợi thế và ưu điểm đã làm cho 4G trở thành thế hệ mạng không dây lôi cuốn trong tương lai. Chính vì vậy em đã chọn đề tài Tìm hiểu về xu hướng phát triển thông tin di động 4G để nghiên cứu sâu về các giải pháp mạng không dây với hi vọng 4G sẽ là một hệ thống di động tối ưu trong tương lai gần, và mô hình thực thi 4G tại Việt Nam trở thành hiện thực. THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ............................................................... 3 1.1 Tổng quan về thông tin di động ................................................................... 3 1.2 Thông tin di động thế hệ 4 ............................................................................ 4 CHƯƠNG 2: WLAN.......................................................................................... 7 2.1 Giới thiệu WLAN .......................................................................................... 7 2.2 Chuẩn IEEE 802.11....................................................................................... 7 2.2.1 Kiến trúc chung IEEE 802.11 ................................................................. 8 2.2.1.1 Cấu trúc hệ thống ........................................................................... 9 2.2.1.2 Đặc tính cơ bản của hệ thống ......................................................... 9 2.2.1.3 Lớp vật lý ....................................................................................... 11 2.2.1.4 Lớp MAC ....................................................................................... 12 2.2.1.5 Cấu trúc MAC ................................................................................ 13 2.2.1.6 Khả năng kết hợp ........................................................................... 18 2.2.1.7 Chứng thực và bảo mật .................................................................. 19 2.2.1.8 Phân đoạn ....................................................................................... 20 2.2.1.9 Cơ chế đồng bộ .............................................................................. 20 2.2.1.10 Di động ........................................................................................ 21 2.2.1.11 Khả năng lưu trữ .......................................................................... 21 2.2.1.12 Khả năng hỗ trợ............................................................................ 23 2.3 HIPERLAN-2 ................................................................................................ 23 2.3.1 Giới thiệu ............................................................................................... 23 2.3.2 Cấu trúc chung của HIPERLAN ............................................................ 23 2.3.3 Cấu trúc hệ thống HIPERLAN-2............................................................ 25 2.3.4 Đặc tính cơ bản của hệ thống ................................................................. 26 2.3.5 Lớp vật lý ................................................................................................ 27 2.3.6 Lớp DCL................................................................................................. 27 2.3.6.1 Lớp MAC ....................................................................................... 31 2.3.6.2 Thao tác MAC................................................................................ 31 Hệ th ố ng thông tin di độ ng 4G Mục lục Trang Lời mở đầu ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ 2.3.6.3 Khung MAC................................................................................... 32 2.3.6.4 Địa chỉ MAC .................................................................................. 33 2.3.6.5 Truy cập tới RCH ........................................................................... 33 2.3.7 Các DCL khác ........................................................................................ 33 2.3.8 Handover................................................................................................. 36 2.3.9 CL ........................................................................................................... 38 2.3.10 Hỗ trợ QoS trong HIPERLAN-2 .......................................................... 38 2.4 MMAC-PC ..................................................................................................... 39 2.5 Triển khai cơ sở hạ tầng IEEE 802.11......................................................... 41 2.5.1 Băng ISM và phân bố kênh .................................................................... 41 2.5.2 Tín hiệu, nhiễu và vùng phủ sóng........................................................... 44 2.5.3 Tín hiệu và nhiễu trong băng tần ISM .................................................... 44 2.5.4 Vùng phủ sóng ........................................................................................ 46 2.5.5 IEEE 802.11 cho không gian tự do......................................................... 48 CHƯƠNG 3: WPANs ......................................................................................... 50 3.1 Giới thiêu........................................................................................................ 50 3.2 Một số khái niệm ........................................................................................... 52 3.3 Tổng quan Bluetooth..................................................................................... 53 3.3.1 Cấu trúc Bluetooth .................................................................................. 53 3.3.2 Mô hình tham chiếu giao thức Bluetooth ............................................... 54 3.3.3 Tổng quan về giao thức lõi Bluetooth .................................................... 56 3.3.3.1 Lớp radio Bluetooth ....................................................................... 56 3.3.3.2 Lớp dải gốc..................................................................................... 56 3.3.3.3 Lớp giao thức quản lý kết nối (LMP) ............................................ 66 3.3.3.4 Lớp điều khiển giao thức kết nối và giao thức thích nghi ............. 66 3.3.3.5 Lớp giao thức phát hiện dịch vụ (SDP) ......................................... 67 3.4 PAN................................................................................................................. 68 3.4.1 Nguyên lý cấu trúc.................................................................................. 68 3.4.2 Giao diện ................................................................................................ 71 3.4.3 Giao tiếp với mạng bên ngoài................................................................. 71 3.5 Mạng Ad Hoc ................................................................................................. 71 3.6 Bảo mật........................................................................................................... 72 3.7 Những ứng dụng chính và khả năng hình thành mạng ............................. 72 3.8 Các thiết bị trong hệ thống ........................................................................... 73 3.9 Những thách thức đối với PAN và những vấn đề mở rộng ....................... 74 3.10 B-PAN........................................................................................................... 75 3.11 WLAN và WPAN ........................................................................................ 76 3.12 Tóm lại.......................................................................................................... 78 CHƯƠNG 4: SỰ HÌNH THÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ....................................................................................................... 79 4.1 Giới thiệu........................................................................................................ 79 4.2 WAL ............................................................................................................... 79 4.3 Cấu trúc WAL ............................................................................................... 80 4.4 Dịch vụ báo hiệu WAL ................................................................................. 81 4.4.1 Một vài định nghĩa.................................................................................. 82 4.4.1.1 Hoạt động của WAL ...................................................................... 82 4.4.1.2 Khuôn dạng tiêu đề WAL .............................................................. 82 4.4.1.3 Thủ tục đăng ký.............................................................................. 83 4.4.2 Sự thiết lập association ........................................................................... 86 4.4.3 Dữ liệu .................................................................................................... 88 4.4.4 Thủ tục tái thiết lập sự kết hợp ............................................................... 89 4.4.5 Danh sách PDU....................................................................................... 91 Kết luận ................................................................................................................ 94 Lời mở đầu Ngày nay, với những tiến bộ vượt bậc của công nghệ máy tính đã giúp việc trao đổi thông tin ngày càng dễ dàng thuận tiện hơn. Công nghệ mạng LAN ra đời đã phát triển rộng rãi trên thế giới, nhưng hạn chế của nó là việc sử dụng các loại dây cáp (cáp đồng trục, cáp xoắn..) đôi khi gây khó khặn cho việc kết nối. Vì vậy sự ra đời của công nghệ mạng không dây (WLAN) là một xu hướng tất yếu đáp ứng việc liên kết với quy mô phức tạp và khả năng truyền thông di động Cùng với sự phát triển của thông tin vô tuyến, thì trong mỗi thập niên có một hệ thống di động mới phát triển và được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Khi thế hệ 2G hiện hữu, việc xuất hiện mạng tế bào di động 3G thì đó chỉ là một trong những thay đổi nhỏ về công nghệ từ phía cơ sở hạ tầng IP di động. Tuy nhiên hệ thông tin di động 3G sẽ đáp ứng được việc thực hiện đa phương tiện hay nói khác đi là cơ sở hạ tầng IP không đủ năng lực. Để khắc phục các nhược điểm này, thế hệ 4G đã được định nghĩa. Với một số chuẩn mới được đưa ra thì hệ thống 4G trở nên dễ hiểu bởi khái niệm các mạng không đồng nhất, bao gồm một số lớn mạng truy cập với một nguyên tắc chung là giao thức IP, cung cấp kết nối tất cả các người dùng ở bất kỳ đâu tại bất cứ thời điểm nào. Chương 1 Tổng quan về thông tin di động và hệ thống thông tin di động 4G 1.1 Tổng quan về thông tin di động Thông tin di động dựa trên nền tảng mạng không dây phát triển theo biểu đồ số mũ trong thập niên qua với những cơ sở hạ tầng và các ứng dụng rộng rãi như thiết bị vô tuyến, máy tính sách tay v..v.. Những thiết bị này ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Một ví dụ cụ thể: người dùng có thể kiểm tra email và truy cập mạng Internet nhờ các thiết bị di động của họ. Từ những thiết bị như máy tính sách tay, họ có thể tìm kiếm thông tin trong mạng Internet tại các địa điểm khác nhau như sân bay, nhà ga hay những nơi công cộng khác. Các khách du lịch có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối GPS đặt trong nhà hay trong ô tô để định vị và thiết lập bản đồ đường đi. Những hồ sơ, dữ liệu hoặc các thông tin khác có thể được trao đổi bởi các máy tính sách tay thông qua mạng LAN không dây (WLAN). Không chỉ các thiết bị di động trở nên nhỏ hơn, rẻ hơn, tiện lợi hơn, mà các ứng dụng của nó cũng trở nên mạnh hơn và được áp dụng rộng rãi hơn. Theo khuynh hướng này thì hầu hết các kết nối những thiết bị vô tuyến được thực hiện thông qua các nhà cung cấp dịch vụ cố định dựa trên cơ sở hạ tầng mạng cá nhân và các MSC trong mạng tế bào như vậy các máy tính sách tay có thể nối tới Internet không dây thông qua các điểm truy cập. Mặc dù những mạng có cơ sở hạ tầng đã cung cấp một lượng lớn các dịch vụ mạng cho các thiết bị di động nhưng nó mất rất nhiều thời gian để thiết lập cơ sở hạ tầng mạng thích hợp với các dịch vụ của mạng di động và tất nhiên là giá thành để thiết lập cơ sở hạ tầng này là rất cao. Hơn nữa, thời điểm thiết lập là bất kỳ lúc nào khi có yêu cầu từ một thiết bị di động truy cập mạng mằm trong vùng phủ sóng. Việc cung cấp các dịch vụ kết nối mạng đã đặt ra yêu cầu cần phải có một mạng di động đặc biệt. Để giải quyết vấn đề đó, sự phát triển của công nghệ và các chuẩn ra đời nhằm thay thế các chuyển giao kết nối mới với việc cho phép những thiết bị di động nằm trong cự li truyền dẫn có thể kết nối với nhau thông qua việc tự động thiết lập một mạng di động đặc biệt với tính linh hoạt cao. Đây là khả năng thiết lập mạng động. Trong khi mạng không dây tiếp tục phát triển thì khả năng đặc biệt này trở nên quan trọng hơn. Với các giải pháp công nghệ mà có thể là sử dụng các lớp khác nhau, các giải thuật và các nghi thức cần cho thao tác cầu hình mạng, tất cả đã thúc đẩy hình thành cấu trúc mạng di động 4G. 1.2 Thông tin di động thế hệ 4 4G là một mạng toàn cầu tích hợp dựa được xây dựng theo mô hình hệ thống mở. Việc tích hợp các mạng không dây khác nhau cho phép truyền đa phương tiện dữ liệu, tiếng nói, đa dịch vụ trên nền tảng IP (đây chính là tiêu điểm chính của 4G). Cùng với sự sử dụng dải thông utrahight lên tới 100Mbps, những dịch vụ đa phương tiện được hỗ trợ một cách hiệu quả. Hình 1.1 minh hoạ những thành phần bên trong cấu trúc mạng 4G. Hình 1.1Cấu trúc mạng di động 4G 4G được tích hợp những topo và các nền tảng mạng khác nhau. Trong hình 1.1 sự hợp nhất nhiều kiểu mạng được chồng lên những ranh giới mạng khác nhau. Có hai kiểu hợp nhất: đó là sự hợp nhất những mạng không dây hỗn hợp với đặc trưng truyền đạt không dây của mạng LAN, WAN, PAN cũng như những mạng di động đặc biệt khác. Sự hợp nhất thứ hai bao gồm sự tích hợp của những mạng không dây và mạng cố đinh (như Internet và PSTN). 4G được bắt đầu với giả thiết rằng mạng trong tương lai sẽ sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói (đây sự phát triển từ những giao thức đang được sử dụng trong mạng Internet hiện tại). Mạng di động 4G dựa trên nền tảng IP có những lợi thế cơ bản bởi vì IP thích hợp và độc lập với công nghệ truy cập vùng phủ sóng. Điều đó có nghĩa là mạng 4G được thiết kế và có thể phát triển độc lập từ những mạng truy cập. Việc sử dụng một lõi mạng trên nền tảng IP cũng có nghĩa thoả mãn đa dịch vụ như tiếng nói dữ liệu hay được hỗ trợ bởi việc sử dụng một tập hợp VoIP với những giao thức như MEGACOP, MGCP, H.323 và SCTP. Sự phát triển này giúp đơn giản hoá việc bảo trì các mạng riêng biệt nhau. Hệ thống 4G được chờ đợi vì có giá thành rẻ hơn và đơn giản hơn. Trước hết, giá thiết bị được rẻ hơn 4 đến 10 lần một trạm có chức năng tương đương của hệ thống 2 hoặc 3G. Một môi trường truyền dẫn IP không dây sẽ làm giảm bớt cho quá trình bảo trì mạng. Hệ thống 4G còn được ưu việt hơn với tốc độ truyền dẫn Utrahight lên tới 100Mbps nhanh hơn 50 lần so với tốc độ truyền dẫn của mạng 3G. Điều này cho phép truyền các dịch vụ không dây với dải thông cao, người dùng có thể xem TV, nghe nhạc, truy cập mạng, hay thực hiện truyền các luồng hình ảnh thời gian thực và các ứng dụng đa phương tiện khác kể cả khi đang ở nhà, trong văn phòng hay nơi công cộng. 4G có khả năng hỗ trợ việc người dùng truy nhập thông tin hoặc giao tiếp với người dùng khác vào bất kỳ thời điểm nào, ở bất cứ đâu và sử dụng bất kỳ thiết bị di động nào. Mạng Ad hoc là một phần quan trọng trong hệ thống 4G được thiết lập động bởi các nút mạng di động tuỳ ý mà không cần sử dụng cơ sở hạ tầng mạng hiện hữu hay quản lý tập trung. Mạng này cho phép các nút không dây tồn tại độc lập, cung cấp một phạm vi nối mạng rộng hơn và khả năng sử lý lớn hơn. Các nút cũng có thể kết nối tới các mạng cố định thông qua một thiết bi trung gian có cổng dành riêng. Thiết bị đầu cuối của mạng 4G cho phép hỗ trợ thông minh với khả năng định vị và tìm kiếm dịch vụ theo yều cầu người dùng ngay cả khi người đó đang chuyển động tại bất cứ thời điểm nào.. Tất cả các lợi thế này làm cho mạng Ad hoc trở nên lôi cuốn trong thế hệ mạng di động tương lai. Chương 2 Sự hình thành hệ thống thông tin di động 4G 2.1 Giới thiệu Chương này giới thiệu một giải pháp được thiết kế thành công và được kiểm tra trong dự án Internet không dây (cấp vốn bởi liên hiệp Châu Âu). Giải pháp này đưa ra 2 vấn đề chưa được giải quyết đã đề cập đến ở những chương trước. Đó là những cơ chế ghép nối những mạng tách biệt thông qua sự phát triển phần mềm . Đây là sự phát triển kỹ thuật cho phép làm việc với chồng giao thức TCP/IP thông qua kết nối không dây trên nền tảng của truyền dẫn cáp. Giải pháp cho những vấn đề sẽ dễ dàng hơn về phía 4G. Thực thể cho phép tiếp cận hai đối tượng này là lớp thích nghi không giây (WAL) và đã thực nghiệm thành công qua cơ sở hạ tầng như là HIPERLAN, IEEE 802.11b và Bluetooth. Những mục sau của chương này giới thiệu những khía cạnh đặc biệt nhất của cấu trúc WAL, hi vọng hệ thống mạng này thật sự cho phép chúng ta khẳng định 4G đã được đạt đến. 2.2 WAL WAL hoạt động trên giao thức TCP/IP thông qua mạng dây. WAL đã khắc phục những nhược điểm của giao thức TCP và UDP nhờ đặc tính truyền không dây qua giao thức vận chuyển. Như vậy thay vì sửa đổi các giao thức hiện hữu, WAL thực hiện thích nghi được đặt giữa lớp IP và cơ sở hạ tầng không dây bên dưới. Bằng cách này, WAL có thể đáp ứng các kênh đặc biệt theo cách cho phép giao thức truyền vận hành mode làm việc bình thường. WAL là một phần của QoS yêu cầu bởi IP (trường ToS trong tiêu đề IP đã đề cập ở chương 3), chức năng của nó có thể cung cấp các dịch vụ thích hợp. Nếu lớp IP không thực hiện cơ chế QoS, lớp WAL sẽ sử dụng cách nhận diện kiểu lưu thông ( theo giao thức) để phân biệt những ứng dụng khác nhau. Theo cách này, WAL sẽ bổ xung cách sử lý hiện thời của QoS trong mạng IP, IntServ và Diffserv. Khi thiết kế mạng WAL cần chú ý tới các yếu tố liên quan sau: Sự thích nghi trạng thái của các kênh quan sát. Trạng thái kênh không dây luôn luôn thay đổi vì thế WAL sẽ áp dụng một sơ đồ thích nghi kéo theo những modul thích hợp cho mỗi kiểu dịch vụ và sẽ sửa đổi các thông số làm việc (thông số dụng lượng trong modul FEC). Bởi vậy thông tin về kênh truyền do WAL nhận được sẽ được sử dụng và thông tin này được trao đổi giữa những thực thể truyền nó. QoS yêu cầu bởi IP: IP sử dụng sơ đồ end-to-end QoS cả trong quá trình định tuyến và trong máy PC (đây là phiên bản mới nhất của Linux để hợp nhất những tuỳ chọn điều khiển lưu lượng). WAL hoàn thành ứng dụng này theo kiểu thiết lập bản đồ lưu lượng giúp tương thích các dịch vụ. 2.3 Cấu trúc WAL Hình 4.1 cho ta thấy kiến trúc bên trong của mạng WAL Hình 2.1 Kiến trúc WAL Như ta đã biết, WAL được tạo ra từ các thực thể với các chức năng khác nhau nhưng WAL là yếu tố trung tâm của hệ thốn