Các công nghệ mạng CDMA

Bài viết mô tả tóm tắt những khởi nguồn của công nghệ CDMA và sự ra
đời các phiên bản 3G như CDMA2000 1X và CDMA2000 1x EV-DO. Một
tổng quan về cấu trúc mạng được trình bày với những giải thích chi tiết
về vai trò của mỗi thành phần và giao diện trong mạng và việc kiểm
nghiệm giao thức nhằm thay đổi theo nhu cầu của mạng. Bài viết sẽ
kết thúc với việc thảo luận về một số vấn đề kỹ thuật có thể xuất hiện
trong các mạng CDMA và một số giải pháp đề xuất.
Công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access) đã ra đời như một lựa
chọn thay thế cho kiến trúc tế bào GSM và góp phần vào sự tăng
trưởng bùng nổ trên thị trường không dây trong thập kỷ qua. CDMA,
như GSM, đã đưa ra những cải tiến không ngừng trong suốt thời kỳ này.
Hiện cả hai mạng đang trong quá trình chuyển giao sang các hệ thống
thế hệ 3G trên toàn cầu, cho phép nhiều dung lượng và các dịch vụ dữ
liệu hơn.
Cuộc cách mạng số và tình hình phát triển
Trong khi ngành công nghiệp truyền thông di động bắt đầu với sự
chuyển tiếp từ công nghệ Analog thế hệ thứ nhất đến kiến trúc số thế
hệ thứ hai, thì tại châu Âu, kiến trúc GSM đã trở thành phổ thông, trong
khi tại nước Mỹ, một phần châu Á và một số nơi khác, công nghệ CDMA

“spread-spectru
Hình 1 minh hoạ một mạng CDMA2000 1X đơn giản hoá, cho thấy cả
hai cấu trúc điện thoại (ANSI-41, xem viết tắt cuối bài) và dữ liệu. Hãy
tham khảo Hình 1 để thảo luận các vấn đề tiếp sau.
Hình 1: Cấu trúc của một mạng CDMA. (Chú ý tất cả các ký hiệu, khái
niệm trên hình vẽ đều được giải thích trong mục viết tắt hay chú thích
ở phần 2 của bài viết)
Trạm di động (MS - Mobile Station)
Trong một mạng CDMA2000 1X, trạm di động MS - chính là máy thu
phát của thuê bao hay thiết bị di động mạng CDMA - hoạt động như
một client IP di động .

Trạm di động tương tác với Access Network (mạng truy nhập) nhằm
giành lấy các tài nguyên vô tuyến thích hợp để trao đổi các gói tin và


giám sát trạng thái tài nguyên vô tuyến bao gồm “active” (hoạt động),
“stand-by” (dự phòng), “dormant” (không hoạt động). Nó chấp nhận
các gói tin bộ đệm từ máy chủ di động (mobile host) khi tài nguyên vô
tuyến chưa có hoặc không đủ để hỗ trợ lưu lượng trên mạng.
Nhờ vào việc cấp nguồn điện, trạm di động tự động đăng ký với HLR
(Home Location Register) để:
Xác thực thiết bị di động đang trong môi trường của mạng đang truy
nhập. Cung cấp cho HLR vị trí hiện tại của thiết bị di động. Cung cấp
cho MSC-S (Serving Mobile Switching Centre) tập đặc tính cho phép
của thiết bị di động.
Sau khi đăng ký thành công với HLR, thiết bị di động sẵn sàng thực
hiện các cuộc gọi dữ liệu và thoại. Những cuộc gọi này có thể ở hai
dạng CSD (circuit-switched data - dữ liệu chuyển mạch kênh) hoặc PSD
(packet-switched data - dữ liệu chuyển mạch gói), phụ thuộc vào sự
tương thích của bản thân thiết bị di động (hoặc không tương thích) với
chuẩn IS-2000. Tài liệu này định nghĩa các giao thức cho các giao diện
CDMA khác nhau liên quan đến việc truyền các gói tin có tên là A1, A7,
A9 và A11.
Các trạm di động MS phải tuân theo các chuẩn IS-2000 để bắt đầu một
phiên dữ liệu dạng gói tin khi sử dụng mạng 1xRTT1[4]. Các trạm di
động chỉ có các khả năng của IS-95 bị giới hạn bởi CSD, trong khi các
các thiết bị đầu cuối IS-2000 có thể tuỳ chọn hoặc PSD hay CSD. Các
tham số chuyển tiếp bởi thiết bị đầu cuối thông qua liên kết không gian
(AL - air link) vào mạng sẽ xác định kiểu dịch vụ yêu cầu.
Dữ liệu chuyển mạch kênh có một tốc độ tối đa là 19.2 Kbit/s và được
thực hiện qua các kênh TDM truyền thống. Dịch vụ này cho phép người

dùng lựa chọn điểm gán (point of attachment) vào trong một mạng dữ
liệu có sử dụng quay số thông thường.
Dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói có một tốc độ dữ liệu tối đa là 144
Kb/s. Đối với mỗi phiên dữ liệu, một phiên PPP (Point-to-Point Protocol)
được tạo ra giữa trạm di động và PDSN (Packet Data Serving Node).
Việc chỉ định địa chỉ IP cho mỗi thiết bị di động có thể được cung cấp
bởi PDSN hoặc một máy phục vụ DHCP (Dynamic Host Configuration
Protocol) qua một HA (Home Agent)[2].
RAN (Mạng truy nhập vô tuyến)
RAN (Radio Access Network) là điểm vào của thuê bao di động cho
truyền thông dữ liệu hay thoại bao gồm:


Liên kết không gian (air link) Tháp/ăngten vị trí ô phủ sóng (cell) và kết
nối cáp tới BTS (Um) BTS (Base Station Transceiver Subsystem) Đường
truyền thông từ BTS tới BSC (Abis) BSC (Base Station Controller) PCF
(Packet Control Function)
Đặc biệt, RAN có một số trách nhiệm tác động đến việc cung cấp dịch
vụ gói tin của mạng. RAN phải ánh xạ đến danh tính client di động
tham chiếu đến một danh tính lớp liên kết duy nhất được sử dụng để
liên lạc với PDSN, xác nhận tính hợp lệ trạm di động cho dịch vụ truy
nhập và duy trì các liên kết truyền đã thiết lập.
BTS (Base Station Transceiver Subsystem) điều khiển hoạt động của
liên kết không gian (air link) và có chức năng giao diện giữa mạng và
thiết bị di động. Các tài nguyên RF như sự ấn định tần số, phân chia
khu vực và điều khiển nguồn truyền được quản lý bởi BTS. Ngoài ra,
BTS còn quản lý lưu lượng về từ vị trí ô phủ sóng đến BSC (Base Station
Controller) để giảm thiểu bất cứ thời gian trễ nào giữa hai thành phần
này. Thông thường một BTS kết nối đến BSC thông qua các phương tiện
không phân kênh (un-channelized) T1 hay trực tiếp đi cáp trong thiết bị

cùng vị trí. Các giao thức được sử dụng bên trong phương tiện này giữ
độc quyền dựa trên nền tảng HDLC (High-level Data Link Control).
BSC (Base Station Controller) định tuyến các thông điệp thoại và dữ
liệu chuyển mạch kênh giữa các vị trí ô phủ sóng và MSC. Nó còn có vai
trò quản lý tính di động là điều khiển và chi phối các “hand-of


Phát hiện và giải quyết một số vấn đề phổ biến trong các mạng
CDMA2000 1X
Tất cả những đặc tính và khả năng thể hiện trong mạng di động 3G
hiện đại hướng tới một hệ thống phức tạp với nhiều chế độ, nút mạng,
phần tử, giao diện và giao thức. Những vấn đề nảy sinh có thể có
những căn nguyên từ phần cứng cũng như phần mềm. Khi một kết nối
Internet di động trở thành phổ biến, thách thức của việc duy trì các
tương tác dữ liệu liên tục sẽ đòi hỏi những giải pháp cũng như thủ tục
giám sát mới tiềm năng hơn. Bây giờ, chúng ta sẽ kiểm tra một số vấn
đề thông thường có thể xuất hiện trong các mạng CDMA2000 1X.
Sự cố trong khi Cài đặt Cuộc gọi Dữ liệu Gói tin Di động, Khởi tạo và
Đăng ký IP Di động
Để đạt được các dịch vụ dữ liệu gói tin, thiết bị di động thực hiện việc
đăng ký với mạng vô tuyến trên giao diện A1 và sau đó với mạng gói
tin trên giao diện A10/A11. Thiết bị di động gửi một “Origination
Message” đến BS có chứa tuỳ chọn dịch vụ dữ liệu gói tin. Điều này
dẫn đến sự phân bổ kênh lưu lượng, sự thiết lập kết nối A10, sự thiết
lập lớp liên kết (PPP) và cho cả trong trường hợp IP di động được sử
dụng bởi thiết bị đầu cuối.
Lưu lượng dữ liệu người dùng hiện có thể đi qua kết nối A10 được đóng
gói bên trong các khung (frame) GRE. PCF đăng ký lại theo định kỳ với
PDSN đã lựa chọn qua việc gửi thông báo yêu cầu đăng ký A11 (A11Registration Request) trước khi thời gian tồn tại của kết nối A10 hết
hạn.

Hình 2: Thiết lập một cuộc gọi dữ liệu di động CDMA2000 1X
Một kịch bản cài đặt cuộc gọi thành công được minh hoạ trong Hình 2.


Biểu đồ tuần tự các thông báo chuẩn phác thảo một loạt các bước được
tóm tắt trong các mục từ 1đến 12 dưới đây. Chú ý rằng sự giảng giải
này bỏ qua những hoạt động truyền/nhận vô tuyến của BTS, thay vào
đó chỉ tập trung các chức năng giao thức bắt đầu với “Origination
dialogue” giữa thiết bị di động và BSC.
1. Để đăng ký dịch vụ dữ liệu gói tin, thiết bị di động gửi một
“Origination Message” qua “Access Channel” (kênh truy nhập) tới BSS.
2. BS xác nhận đã nhận được “Origination Message” trên và trả về một
“Base Station Ack Order” tới thiết bị di động.
3. BS xây dựng một thông báo “CM Service Request” (yêu cầu dịch vụ)
và gửi thông báo này đến MSC.
4. MSC gửi một thông báo “Assignment Request” đến BSS yêu cầu
phân bổ tài nguyên vô tuyến. Không có kênh trên mặt đất (terrestrial)
giữa MSC và BS được phân bổ cho cuộc gọi dữ liệu gói tin.
5. BS và thiết bị di động thực hiện các thủ tục cài đặt tài nguyên vô
tuyến. PCF xác nhận rằng không có kết nối A10 liên quan đến thiết bị
di động này và chọn một PDSN cho cuộc gọi dữ liệu đó.
6. PCF gửi một thông báo “A11-Registration Request” (yêu cầu đăng ký
A11) đến PDSN đã chọn.
7. “A11-Registration Request” được xác nhận tính hợp lệ và PDSN chấp
nhận kết nối này bằng việc gửi trả lại một thông báo “A11-Registration
Reply” (chấp nhận nhận đăng ký). Cả hai PDSN và PCF tạo ra một biên
bản trói buộc cho kết nối A10.
8. Sau khi liên kết vô tuyến và kết nối A10 được cài đặt, BS gửi một
thông báo “Assignment Complete” (việc phân bổ, việc gán đã hoàn tất)

đến MSC.
9. Thiết bị di động và PDSN thiết lập kết nối lớp liên kết (PPP) và sau đó
thực hiện các thủ tục đăng ký MIP (Mobile IP) thông qua kết nối lớp liên
kết đó.
10. Sau khi hoàn thành đăng ký MIP, thiết bị di động có thể gửi và nhận
dữ liệu đi bằng cách đóng khung (framing) GRE qua kết nối A10.
11. PCF theo định kỳ gửi một thông báo “A11-Registration Request” để
đăng ký mới cho kết nối A10.
12. Cho một “A11-Registration Request” hợp lệ, PDSN trả về một thông
báo “A11- Registration Reply”. Và lúc này cả hai PDSN và PCF cập nhật
biên bản ràng buộc kết nối A10.
Quá trình tương đối phức tạp này có thể là nguồn gốc của một số vấn
đề ảnh hưởng đến dịch vụ và chất lượng. Một kế hoạch giám sát khắt
khe bao gồm việc theo dõi đồng thời các giao diện A1 và A10/A11 là
cách tốt nhất để phát hiện và sửa các lỗi một cách sớm nhất. Tại đây
một ứng dụng dò vết cuộc gọi đa giao diện đặc biệt hiệu quả bằng
cách dò ra đường đi và nhóm tất cả thủ tục liên quan đến sự hoạt động
của mỗi thuê bao đơn lẻ trong một mạng CDMA, ngay cả khi các thủ
tục xử lý cho nhiều giao diện.


Bên trong quá trình cài đặt cuộc gọi, mỗi lỗi trong bất cứ phần tử hay
bước thủ tục nào đều có thể ngăn cản các bước còn lại. Ví dụ, giả sử
MSC không trả lời yêu cầu dịch vụ “CM Service Request” (Bước 3 trong
Hình 2) được gửi đi từ BSC/PCF qua giao diện A1. Điều đó đôi khi do các
vấn đề MSC nội tại. Nếu nó cản trở việc hoàn tất “CM Service Request”,
BSC/PCF không thể phân bổ tài nguyên vô tuyến cho trạm di động và
như vậy tiếp tục ngăn ngừa thiết lập kết nối. Người dùng không thể tìm
thấy nó để thực hiện một cuộc gọi dữ liệu—một dịch vụ cho những ai
đã đóng phí bảo hiểm.

Trước khi một timer cụ thể hết hạn, PCF theo định kỳ gửi thông báo
“A11- Registration Request” (Bước 11) để làm mới đăng ký cho kết nối
A10. Để một “A11- Registration Request” có hiệu lực, PDSN trả lại một
thông báo “A11-Registration Reply” (Bước 12). Tại đây lại một lần nữa,
các vấn đề nội bộ trong PDSN có thể là nguyên nhân nó trả lời muộn
hơn sau đó hay không bao giờ. Kết quả là, quá trình thiết lập hay duy
trì kết nối không thể tiếp tục. Người dùng một lần nữa không thể thực
hiện một cuộc gọi dữ liệu.
Trong cả hai trường hợp một trình giao thức đã kết nối với các giao diện
A1 và A10/A11 có thể hỗ trợ để tìm ra vấn đề. Trình ứng dụng “dò vết”
cuộc gọi có thể phân biệt khởi nguồn của những thông báo và phát
hiện bất cứ hỏng hóc nào để đối phó. Điều này sẽ dễ dàng hơn khi xác
định vị trí MSC và PDSN riêng từng cái trong các thí dụ này.Không hiệu
quả khi truyền gói tin dữ liệu người dùng
Thường xuyên trong mạng CDMA2000, các gói tin TCP có kích thước
cửa sổ nhỏ. Điều đó có nghĩa các kết nối TCP đầu cuối không ổn định.
Càng nhiều các gói tin TCP trên mạng bị mất mát và không được xác
nhận, thì kích thước cửa sổ càng nhỏ, kết quả là nhiều kết nối TCP hơn
bị “đứt” và phải được thiết lập lại. Kích thước cửa sổ TCP nhỏ là do cơ
chế khởi động mềm (soft-start) được xây dựng bên trong giao thức TCP.
Đặc điểm của vấn đề phải được định rõ, điều đó là cần thiết để giành
lấy các gói tin mức người dùng TCP/IP lưu thông trong các đường hầm
(tunnel) GRE trên giao diện A10. Với việc ứng dụng các kiểu lọc giao
thức khác nhau và với mức ngày càng tăng về độ chi tiết, nó có khả
năng cô lập điểm gây nên sự rút ngắn kích thước cửa sổ gói tin TCP.
Các vòng lặp định tuyến của các gói tin người dùng trong mạng nòng
cốt
Các vòng lặp định tuyến đường hầm (tunnel router loop) là một lớp
khác các vấn đề của mạng CDMA2000 có thể làm giảm chất lượng dịch
vụ cho các thuê bao. Vấn đề được tạo ra do cấu hình sai trong các bộ

định tuyến PDSN. Nó có thể bị phát hiện do sự giành được lưu lượng IP
trên giao diện P-H (xem Hình 1 của phần 1).
Để hiểu được các vòng lặp định tuyến đường hầm, hãy hình dung một
thuê bao lướt Web (WWW) với một máy tính xách tay kết nối vào một
máy di động CDMA2000. Các gói tin hướng tới một một proxy HTTP cụ
thể được định tuyến (sau khi đi qua PCF) từ PDSN/FA tới HA (Home
Agent)[2].
Với các cấu hình nội tại không đúng nào đó, các gói tin cho cổng 80
WWW không bị “de-tunnelled” bởi HA[2]. Thay vào đó, chúng được gửi
trở lại về phía PDSN/FA. Kết quả là, nhiều gói tin di chuyển trên cùng
một đoạn mạng với cùng packet ID,rất lãng phí băng thông và không
đạt tới đích như mong muốn. Ngoài ra, cho mỗi bước nhảy (hop) lặp đi
lặp lại, một gói tin di chuyển giữa các nút PDSN/FA và HA[2], trường “IP
Time To Live” (IP TTL) giảm đi một đơn vị. Nếu gói tin bị mắc kẹt trong
một vòng lặp bộ định tuyến, TTL cuối cùng giảm về “0” và gói tin này
bị loại bỏ khỏi các nút mạng. Các gói bị “mất” phải được phát lại, dẫn
đến tổng chi phí của việc truyền lại gói tin một cách quá mức và làm
giảm thông lượng.
Như trong thí dụ trước đây, giải pháp để sử dụng lọc giao thức có tác
dụng “bắt giữ” các gói tin IP trên giao diện P-H. Với việc duyệt từ đầu
đến cuối dữ liệu đã “bắt giữ” được bằng cách áp dụng các mức tăng
thêm dần của sự lọc, nó có khả năng nhận ra các gói tin theo định kỳ
và giải quyết vấn đề này.
Sự nhân đôi lưu lượng IP
Các vấn đề cấu hình PDSN có thể phát sinh nhiều kiểu đa dạng trong
các vòng lặp đường hầm. Một vấn đề phổ thông có liên quan đến các
địa chỉ IP lôgic của PDSN với nhiều hơn một địa chỉ MAC vật lý. Nếu
điều đó xuất hiện, có nghĩa có nhiều hơn một card phần cứng có cùng

địa chỉ IP. Tất cả lưu lượng được gửi đến địa chỉ IP này sẽ đi vào hai
thực thể phần cứng khác nhau và nhận phản hồi từ cả hai. Điều đó dẫn
đến việc nhân đôi tổng lưu lượng IP liên quan đến địa chỉ IP đơn lẻ trên
đoạn mạng này. Một lần nữa, các khả năng lọc giao thức được cần đến
để xử lý sự cố một cách hiệu quả. Một bộ phân tích giao thức phải
“nắm giữ “các gói tin IP di chuyển đến một địa chỉ đích IP cụ thể qua
giao diện P-H. Việc duyệt toàn bộ dữ liệu và sử dụng lọc để thu hẹp liên
tiếp sự truy vấn (câu hỏi), bản chất của vấn đề (địa chỉ bị sao lưu, nhân
đôi) chẳng bao lâu nữa là điều hiển nhiên.
Những vấn đề định tuyến trong mạng nòng cốt
Đôi lúc những vấn đề nội tại bên trong có thể gây ra cho các bộ định


tuyến PDSN “offline” (ngoại tuyến) và quay trở lại “online” (trực tuyến)
sau một chu kỳ thời gian. Điều đó có thể xẩy ra thường xuyên và liên
tục trong mạng dữ liệu nòng cốt CDMA2000. Khi một bộ định tuyến
“online”, bảng định tuyến của nó không được tối ưu hoá. Nó mất thời
gian cho thuật toán định tuyến OSPF (Open Shortest Path First) được
dựng sẵn bên trong để tìm ra đường đi tốt nhất để định tuyến các gói
tin tuỳ thuộc vào các bộ định tuyến đã sẵn sàng kế bên. Cho đến khi
bảng định tuyến được tối ưu, sẽ có sự giảm sút về chất lượng dịch vụ.
Qua việc “bắt giữ” các gói tin IP trên giao diện P-H với một bộ phân tích
giao thức và áp dụng vào các bộ lọc trong các thông báo định tuyến
OSPF, những thay đổi trong bộ định tuyến được chỉ định và những thay
đổi trong các bộ định tuyến kế bên của một bộ định tuyến có thể được
nhận diện một cách dễ dàng. Việc sử dụng khả năng lọc thông minh và
chi tiết dựa vào các thông báo OSPF và thông tin các phần tử bên trong
các thông báo để nhận biết những vấn đề định tuyến trên một mạng IP
trở thành một nhiệm vụ khả thi.
Lời kết

Cơ sở hạ tầng CDMA đang được mở rộng và chắc chắn tạo ra nền tảng
cho sự thâm nhập rộng rãi của các mạng CDMA. CDMA2000 và các
công nghệ 3G khác mang lại cho viễn thông khả năng chuyển mạch
gói, cộng thêm một loạt các dịch vụ mới và cũng nhiều phức tạp trong
quá trình thực hiện.
Những hoạt động xử lý sự cố hiện đòi hỏi một sự hiểu biết cả về những
khái niệm “telecom” truyền thống có liên quan đến chuyển mạch kênh
và những khái niệm “datacom” mới liên quan đến chuyển mạch gói.
Nhân viên điều hành và bảo trì mạng phải luôn cải tiến các quá trình
của họ để đối phó với những thách thức xử lý sự cố mới phức tạp, từ
những vấn đề cấu hình sai cho đến địa chỉ IP bị nhân đôi và nhiều vấn
đề khác nữa. Các công cụ phân tích giao thức có thể đóng một vai trò
to lớn hơn bao giờ hết để duy trì một mạng hoạt động hiệu quả. Những
đặc tính như lần theo cuộc gọi đa giao diện và lọc giao thức sẽ trở
thành chuẩn mực cho công việc bảo trì.