WiMAX di động: Tổng quan kỹ thuật - đánh giá hoạt động (phần 4) Đỗ Ngọc Anh Kiến trúc WiMAX đầu cuối (end-to-end) IEEE định nghĩa lớp vật lý (PHY) lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) chuẩn 802.16 Cách tiếp cận phù hợp với công nghệ Ethernet WiFi dựa vào IETF để thiết lập tiêu chuẩn cho giao thức lớp cao TCP/IP, SIP, VoIP IPSec Trong truyền thông di động không dây, 3GPP 2GPP2 xác lập tiêu chuẩn thông qua phạm vị rộng lớn giao diện giao thức chúng cần khơng thao thao tác phần đường truyền vơ tuyến mà thao tác phần nhà cung cấp, mạng để chuyển vùng (roaming), mạng truy nhập có thiết bị nhiều nhà cung cấp, đối sốt cước công ty Các nhà cung cấp khai thác phải nhận vấn đề thành lập nên nhóm làm việc chung để phát triển mơ hình khuyến nghị mạng tiêu chuẩn cho giao diện liên mạng mở Hai số nhóm làm việc mạng diễn đàn WiMAX – tập trung vào tạo đặc tả mạng mức cao cho hệ thống WiMAX cố định, di động xách tay theo tiêu chuẩn IEEE 802.16, nhóm làm việc cung cấp dịch vụ - chủ yếu soạn thảo dự luật dành ưu tiên để giúp đỡ cho nhóm làm việc mạng Kiến trúc mạng đầu cuối WiMAX di động dựa tảng IP, tất mạch gói khơng thừa kế từ mạch thoại Điều tạo thuận lợi cho việc giảm tổng chi phí chủ sở hữu vòng đời phát triển mạng WiMAX Sử dụng tồn IP có nghĩa lõi mạng chung sử dụng mà khơng cần thiết trì mạng lõi kênh mạng lõi gói Sự phát triển xử lý máy tính xuất nhanh phát triển thiết bị viễn thơng phần cứng nói chung khơng bị giới hạn chu kỳ thiết bị viễn thơng - có xu hướng lâu dài nặng nề Kết cuối mạng hoạt động cách liên tục với chi phí hiệu suất làm việc cao đem lại thuận lợi cho nhà cung cấp thứ phát triển từ truyền thơng Internet Điều đem chi phí thấp, khả mở rộng cao khả triển khai nhanh tính mạng dịch vụ chủ yếu dịch vụ dựa phần mềm Để triển khai hệ thống thương mại hoạt động thành cơng cần hỗ trợ ngồi đặc điểm kỹ thuật giao diện vô tuyến 802.16 (PHY/MAC) Người lãnh đạo cần thiết hỗ trợ thiết lập chức mạng phần toàn kiến trúc hệ thống WiMAX đầu cuối Trước nghiên cứu số chi tiết kiến trúc này, cần ý đến vài nguyên lý Kiến trúc dựa tảng chuyển mạch kênh, bao gồm thủ tục riêng (native) theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 sửa đổi tương ứng, tiêu chuẩn IEFT RFC Ethernet phù hợp Kiến trúc cho phép tách đôi kiến trúc truy nhập (và giao thức hỗ trợ) từ dịch vụ kết nối IP Các thành phần mạng hệ thống kết nối chi tiết vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.16 Kiến trúc cho phép điều chỉnh linh hoạt để cung cấp dải rộng lựa chọn để triển khai như: - Phạm vị hẹp đến phạm vi rộng mạng WiMAX - Các môi trường truyền sóng vơ tuyến nơng thơn, thành thị miền núi - Giấy phép cung cấp băng tần - Các topology dạng phẳng, lưói có thư tự - Cùng tồn với mơ hình sử dụng trước 5.1 Hỗ trợ dịch vụ ứng dụng: Kiến trúc đầu cuối bao gồm hỗ trợ đối với: a) Thoại, dịch vụ đa phương tiện dịch vụ điều chỉnh uỷ nhiệm khác dịch vụ khẩn cấp an ninh hợp pháp b) Truy cập tới nhiều mạng ASSP (nhà cung cấp dịch vụ) độc lập c) Truyền thông thoại di động sử dụng VoIP, d) Hỗ trợ giao diện cho nhiều loại gateway đa phương tiện cho phép phân phối dịch vụ cụ thể thơng qua IP (ví dụ như: SMS qua IP, MMS, WAP) e) Hỗ trợ phân phối dịch vụ IP Multicast Broadcast qua mạng truy cập WiMAX 5.2 Liên mạng chuyển vùng (roaming) Là chìa khố quan trọng khác kiến trúc mạng đầu cuối có hỗ trợ cho số kịch triển khai Nó hỗ trợ cho trường hợp: a) Liên mạng với mạng không dây tồn 3GPP, 3GPP2 hay DSL, MSO với giao diện liên mạng dựa tiêu chuẩn IETF phù hợp với giao thức; b) Roaming tồn cầu thơng qua mạng WiMAX, bao gồm tính nhận thực tính cước; c) Nhiều định dạng khả nhận thực người dùng username/password, chứng thực số, Module nhận dạng thuê bao (SIM), Universal SIM (USIM) Module nhận dạng người sử dụng di động (RUIM) Các thành viên tham gia diễn đàn WiMAX nhận dạng mơ hình tham chiếu mạng (NRM) WiMAX biểu diễn logic kiến trúc mạng NRM nhận dạng thực thể chức điểm tham khảo qua chức liên mạng đạt nhờ thực thể chức Kiến trúc phát triển hỗ trợ tính thống cần thiết kiểu mơ hình triển khai mạng kịch (từ thuê bao cố đinh - di cư - cầm tay - di động đơn giản - đến thuê bao thường xuyên di chuyển) R2 NSP Tạm trú NSP Thường trú R2 R1 SS/MS R3 ASN R5 CSN CSN Mạng ASP Internet Mạng ASP Internet R4 ASN khác NAP Hình 16: Mơ hình tham chiếu mạng WiMAX Hình 16 minh hoạ mơ hình NRM bao gồm thực thể logic: MS, ASN, CSN điểm tham chiếu nhận dạng cho chức kết nỗi liên mạng thực thể Hình 16 mơ tả điểm tham chiếu chuẩn R1-R5 Mỗi thực thể, MS, ASN CSN biểu diễn cho nhóm thực thể chức Mỗi chức thực thiết bị vật lý riêng lẻ phân phối qua nhiều thiết bị vật lý Các chức nhóm phân phối thiết bị vật lý phạm vi thực thể chức (chẳng hạn ASN) lựa chọn triển khai; nhà máy chọn sản xuất chức nào, chức đơn lẻ kết hợp, phải thoả mãn yêu cầu chức tính liên kết nỗi mạng Xu hướng NRM cho phép nhiều tuỳ chọn triển khai cho thực thể chức năng, đạt tính liên kết nối mạng thực thể khác Tính liên kết nối mạng dựa định nghĩa giao thức truyền thông xử lý loại liệu thực thể để đạt chức tổng thể từ đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end) chẳng hạn chức quản lý di động bảo mật Do thực thể chức phía điểm tham chiếu đại diện tập điều khiển điểm đầu cuối mặt phẳng truyền ASN định nghĩa đường biên logic biểu diễn theo cách thuận lợi để mô tả tập hợp thực thể chức luồng tin tương ứng kết hớp với dịch vụ truy cập ASN biểu diễn đường biên cho chức liên kết nối với mạng WiMAX khách (client), chức dịch vụ kết nối WiMAX tập chức nhiều nhà cung cấp khác Việc ánh xạ thực thể chức thực thể logic phạm vi ASN mơ tả mơ hình NRM thực theo nhiều cách khác WiMAX Forum trình xây dựng tiêu chuẩn mạng theo cách cho phép nhiều hình thức triển khai nhà cung cấp Chính điều tạo nên tính liên kết nối thích hợp cho phân tập diện rộng yêu cầu triển khai Mạng dịch vụ kết nối – CSN định nghĩa tập chức mạng cung cấp dịch vụ kết nối IP cho thuê bao WiMAX Một CSN gồm phần tử mạng router (bộ định tuyến), máy chủ/ proxy nhận thực AAA, sở liệu người dung thiết bị cổng liên mạng Một CSN triển khai phần nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX GreenField – NSP WiMAX Hình 17 minh hoạ thực thể nhóm chức ASN Các giao diện vận hành mạng Các mạng lõi IP sở nhà cung cấp dịch vụ Đầu cuối WiMAX di động Trạm sở WiMAX di động Đầu cuối WiMAX cầm tay Máy chủ AAA Các dịch vụ nội dung MIP HA Các dịch vụ IMS Cổng mạng dịch vụ truy nhập (ASN-GW) Các hệ thống hỗ trợ tính cước Đầu cuối WiMAX cố định Các đầu cuối người sử dụng Mạng dịch vụ truy nhập Giao diện không gian Các thiết bị COTS Các hệ thống hỗ trợ điều hành Mạng dịch vụ lõi Giao diện chuyển vùng Các thiết bị WiMAX Hình 17 : Cấu trúc mạng WiMAX IP Các đặc tính mạng cho hệ thống WiMAX dựa nguyên lý kiến trúc mạng bao gồm: - Cung cấp khả tách biệt logic thủ tục đánh địa IP, thủ tục điều hành kết nối- định tuyến giao thức cho phép sử dụng nguyên gốc kiến trúc truy nhập hình thức thực liên mạng riêng mạng, - Hỗ trợ khả chia sẻ ASN nhà cung cấp NAP nhà cung cấp NSP, - Hỗ trợ dịch vụ cung cấp NSP đơn lẻ nhiều ASN – quản lý nhiều NAP, - Hỗ trợ khả phát lựa chọn NSP khả nhập MS SS, - Hỗ trợ NAP để triển khai nhiều sơ đồ mạng ASN, - Hỗ trợ truy nhập dịch vụ nhà cung cấp hành thông qua chức liên mạng, - Đặc tính điểm tham chiếu mở và xác định nhóm thực thể chức mạng (trong phạm vi ASN, ASN, ASN CSN, CSN), MS, ASN CSN phép kết nối nhiều nhà cung cấp, - Hỗ trợ đường tiến hố mơ hình khác ràng buộc giả định kỹ thuật hợp lý; cho phép triển khai nhà cung cấp khác dựa kết hợp khác thực thể chức thực thể mạng vật lý, triển khai tương thích với giao thức chuẩn thủ tục điểm tham chiếu khả dụng, định nghĩa đặc tính mạng, - Hỗ trợ hình thức thử để triển khai đơn lẻ ASN với tập hữu hạn chức CSN, nhờ nhà khai thác cung cấp dịch vụ truy nhập Internet mà không cần quan tâm đến chuyển vùng (roaming) kết nối với mạng khác (interworking) Kiến trúc WiMAX cho phép dịch vụ IP Ethernet mạng tương thích IP di động chuẩn Độ linh động khả liên kết nối mà mạng WiMAX hỗ trợ cung cấp cho nhà khai thác khả khả triển khai mạng WiMAX với chi phí thấp triển khai ASN kết hợp phân tập tập trung Mạng WiMAX có đặc tính sau: 5.3 Tính bảo mật Kiến trúc mạng WiMAX end-to-end dựa tảng bảo mật cho nhà khai thác sơ đồ mạng ASN áp dụng thơng qua GreenField mơ hình triển khai liên mạng Trong thực tế có hỗ trợ: a) nhận thực thiết bị MS mạng WiMAX, b) Tất chế nhận thực sử dụng phổ biến nhận thực kịch mạng mạng khách, c) Tính tồn vẹn liệu, bảo vệ chạy lại, 5.4 Di động chuyển giao Kiến trúc mạng WiMAX end-to-end có khả mở rộng để hỗ trợ di động chuyển giao (mobility and handover), sẽ: - Chuyển giao công nghệ chuyển giao công nghệ (như: Wi-Fi, 3GPP, 3GPP2, DSL MSO) MS hỗ trợ hoạt động nhiều chế độ ; - Hỗ trợ IPv4 IPv6 sở quản lý di động Trong tảng IP vậy, áp dụng, kiến trúc SHALL cung cấp MS nhiều địa IP nhiều kết nối IPv4 IPv6 đồng thời, - Hỗ trợ chuyển vùng (roaming) NSP, - Sử dụng chế để hỗ trợ chuyển giao suốt tốc độ xe tải – thoả mãn giới hạn dịch vụ bị xấu Ngồi có khả hỗ trợ di động: (i) Cấu hình địa mạng tĩnh động; (ii) Ấn định động Home Agent mạng NSP điều kiện tối ưu đường mạng IP điều kiện cân tải; (iii) Ấn định động Home Agent dựa chế 5.5 Tính mềm dẻo, khả mở rộng, phủ sóng lựa chọn nhà khai thác Kiến trúc mạng WiMAX end-to-end mở rộng hỗ trợ khả ăng mềm dẻo, mở rộng trình khai thác linh động việc lựa chọn nhà khai thác Trong thực tế, sẽ: - Cho phép người dung lựa chọn tự động hay thủ công NAP NSP sẵn có, - Cho phép thiết kế hệ thống ASN CSN dễ dàng nâng cấp lên xuống (vùng phủ sóng, dung lượng phục vụ), - Cung cấp số công nghệ ASN bao gồm: hub-and-spoke, phân cấp (hierachical), và/hoặc liên kết nối multi-hop, - Cung cấp số đường kết nối backhaul đường hữu tuyến vơ tuyến với đặc tính thơng lượng trễ khác nhau, - Hỗ trợ triển khai cở sở hạ tầng ngày phức tạp, - Hỗ trợ đưa dịch vụ IP theo giai đoạn để đáp ứng với số lượng user hoạt động ngày tăng số dịch vụ IP mà user sử dụng, g) Hỗ trợ tích hợp trạm gốc dung lượng khả phủ sóng (các trạm gốc pico, mico, macro), e) Hỗ trợ khả tích hợp phân nhỏ cách linh động chức ASN triển khai mạng ASN để sử dụng nguyên lý cân tải sử dụng hiệu phổ vô tuyến tài nguyên mạng 5.6 Khả vận hành nhiều nhà cung cấp Một khía cạnh khác mà kiến trúc mạng WiMAX hỗ trợ khả vận hành thiết bị nhà sản xuất khác nhiều ASN Khả khả vận hành giữa: a) BS thiết bị backhaul ASN b) Các thành phần ASN khác (có thể từ nhiều nhà cung cấp) CSN mà suy giảm tối thiểu không suy giảm chức hay khả ASN Chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa lớp vùng che phủ Nền tảng kiến trúc mạng WiMAX hỗ trợ kiểu CS gồm: CS Ethernet, CS IPv4, CS IPv6 5.7 Chất lượng dịch vụ - QoS Kiến trúc mạng WiMAX cung cấp khả hỗ trợ chế QoS Trong thực tế, cho phép hỗ trợ đồng thời tập đa dạng dịch vụ IP Chính kiến trúc hỗ trợ: a) Các mức QoS khác biệt – dạng thô (từng user) và/hoặc dạng tinh (từng luồng dịch vụ cho user), b) Điều khiển phân quyền, c) Quản lý băng thơng d) Thực sách qui định nhà khai thác cho SLA dựa QoS (bao gồm bắt buộc cho user nhóm user nhân tố: định vị, thời gian,.v.v.) Quản lý định nghĩa chế ép buộc chế nhà khai thác tạo chế IETF chuẩn Các tiêu chuẩn mở WiMAX di động Hệ thống WiMAX dựa chuẩn giao diện IEEE 802.16, tiêu chuẩn phát triển vài năm Tuy nhiên, tiêu chuẩn IEEE không đảm bảo thiết bị từ nhà cung cấp tương thích với thiết bị nhà cung cấp khác Trong diễn đàn WiMAX Forum, tổ chức thương mại phi lợi nhuận bao gồm 350 công ty thành viên tiếp tục mà IEEE để lại Các thành viên diễn đàn WiMAX Forum nhà cung cấp dịch vụ, cung cấp thiết bị nhà chế tạo chất bán dẫn WiMAX Forum cộng tác với HiperMAN, nhóm uỷ ban kỹ thuật ETSI BRAN Sự hợp tác dẫn đến thống ETSI HiperMAN IEEE 802.16, bao gồm bổ sung 802.16e phản hồi từ tiêu chuẩn tương tác: PHY (TS 102 177v.1.3.1) DLC (TS 102 178v.1.3.1) Khả dự thảo tiêu chuẩn thử nghiệm sử dụng diễn đàn Wimax sử dụng để hợp tác ETSI BRAN HiperMAN, nhóm làm việc kỹ thuật WiMAX Forum nhóm làm việc chứng Với thành viên đa dạng thế, đại diện toàn cầu, cộng tác ETSI, WiMAX Forum có vị trí thuận lợi để thúc đẩy việc chấp nhận toàn cầu hài hoà giải pháp di động băng rộng theo tiêu chuẩn dựa tiêu chuẩn giao diện 802.16 Để đạt điều này, diễn đàn định nghĩa hiệu suất hệ thống profile chứng bao gồm tập tiêu chuẩn IEEE 802.16 với thiết kế bắt buộc đặc tính lựa chọn thêm theo cấu tạo phù hợp kiểm tra tính tương thích mà thiết bị phải đảm bảo nhà cung cấp Vì với chứng WiMAX, đảm bảo tính tương thích WiMAX/802.16 khả tương tác thiết bị Việc kiểm tra chứng lần đầu thực phòng thí nghiệm Cetecom vào thang 7/2005 Malaga, Tây Ban Nha sản phẩn WiMAX theo chuẩn 802.16-2004 bắt đầu xuất thị trường Các chứng phụ khác thực vào tháng tới để hồn chỉnh q trình chứng nhận thoả mãn yêu cầu phụ để kiểm tra chứng nhận 802.16e cho ứng dụng di động Nhóm kỹ thuật WiMAX Forum nhóm Chứng lập lịch để chứng nhận cho sản phẩm WiMAX di động vào Quý năm 2006 sau đưa vào thương mại cuối năm 2006 đến năm 2007 Với mong muốn có tham gia rộng rãi thành viên hệ thống , đối tác nhu cầu toàn cầu sản phẩm WiMAX tăng, chi phí cho thuê bao giảm đáng kể 2-3 năm tới Các ứng dụng WiMAX di động Diễn đàn Wimax nhận biết số ứng dụng cho hệ thống dựa chuẩn 802.16e Những ứng dụng bị hỏng năm lớp Những lớp ứng dụng tổng kết bảng với thơng số góc trễ jitter để đảm bảo chất lượng kinh nghiệm user Nguyên tắc dải thơng Ngun tắc góc trễ Ngun tắc nhiễu Nhóm Ứng dụng Trò chơi tương tác đa người chơi Thấp 50 Kbps Thấp