TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ NỐI MẠNG VÔ TUYẾN

TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ NỐI MẠNG VÔ TUYẾN
1.1. CÁC CÔNG NGHỆ NỐI MẠNG SỐ LIỆU CHUYỂN MẠCH KÊNH VÀ
CHUYỂN MẠCH GÓI
Với nối mạng số liệu vô tuyến CS, các kênh dành riêng được ấn định cho các thuê bao
dù họ có sử dụng hay không. Về mặt lý thuyết, điều này cung cấp băng thông hiệu dụng
lớn hơn cho các người sử dụng bằng cách dành riêng toàn bộ kênh cho từng người sử
dụng. Dịch vụ số liệu được cung cấp thông qua mô hình quay số vô tuyến giống như truy
nhập từ xa bằng quay số ở hữu tuyến. Người sử dụng quay một số điện thoại liên kết với
một NAS (Network Access Server) dùng cho một dịch vụ số liệu vô tuyến đặc thù. Khi kết
nối vật lý (kênh) đã được thiết lập giữa MS và NAS, PPP được sử dụng để cung cấp dịch
vụ liên kết đầu cuối-đầu cuối. Có thể kết cuối dễ dàng phiên PPP của người sử dụng bằng
cách sử dụng các kỹ thuật quay số đơn giản dựa trên các ngân hàng modem hay RAS
(Remote Access Server) bao gồm chức năng IWF (InterWorking Function) với cập nhật
phần mềm để nó phù hợp với môi trường vô tuyến. Thông thường IWF cần kết cuối các
giao thức truy nhập vô tuyến (RLP) và tương tác với PSTN khi cần thiết. Trong một số
trường hợp, IWF cũng có thể chuyển PPP đến một mạng riêng sử dụng L2TP.
Khác với CS, các công nghệ nối mạng số liệu PS vô tuyến dựa trên hỗ trợ mạng truy
nhập vô tuyến để ghép kênh thống kê các phiên người sử dụng trên giao diện vô tuyến. Các
tài nguyên mạng số liệu gói chỉ được dùng trong thời gian truyền số liệu và không được
dùng trong các thời gian rỗi, vì thế hệ thống hiệu quả hơn vì mọi nguồn lưu lượng có thể
sử dụng các tài nguyên khi các tài nguyên này không bị nguồn khác sử dụng. Ghép kênh
thống kê là một tính chất quan trọng của tất cả các hệ thống nối mạng số liệu gói. Ghép
kênh thống kê làm cho các hệ thống nối mạng số liệu gói trở nên hiệu quả hơn các hệ
thống dựa trên CS, vì các hệ thống CS cung cấp kênh riêng cho từng người sử dụng nên
chúng không thể sử dụng hoàn toàn khi các mẫu truyền dẫn số liệu có dạng cụm. Tuy nhiên
điều này cũng có nghĩa là các người sử dụng dùng chung các mạng phương tiện phải tranh
chấp cho băng thông khả dụng, nên đôi khi dẫn đến nghẽn, trễ và hiệu suất thông lượng
trên một người sử dụng thấp hơn.
Tranh chấp truy nhập cho các tài nguyên dùng chung là vấn đề điển hình không chỉ đối
với các môi trường gói thông tin di động (TTDĐ) mà cả với WLAN. Trong các hệ thống
TTDĐ hỗ trợ truy nhập chế độ gói, để sử dụng hiệu quả các tài nguyên, các kênh mang

truy nhập vô tuyến chỉ được cấp phát tạm thời cho một người sử dụng. Sau một khoảng
thời gian không tích cực, MS chuyển vào chế độ rỗi (chẳng hạn trong GPRS) hay chế độ
ngủ (trong cdma2000). Chế độ này cho phép MS luôn có thể được kết nối bằng cách gửi
báo hiệu và số liệu đến địa chỉ lớp mạng của nó bằng cách sử dụng các thủ tục cập nhật vị
trí và tìm gọi, trong khi không tài nguyên dành riêng nào tích cực để cho phép MS gửi và
nhận số liệu. Khi cần nhận số liệu, MS được tìm gọi, nó "tỉnh giấc" và phát đi yêu cầu thiết
lập kênh mang vô tuyến để được phép thu số liệu. MS cũng phát đi yêu cầu như vậy khi nó
cần phát số liệu và khi không có kênh mang vô tuyến được thiết lập.
Hỗ trợ nối mạng di động số liệu gói về mặt khái niệm giống nhau đối với các hệ thống
nối mạng số liệu vô tuyến khác. Nó dựa trên các cơ chế truyền tunnel khác nhau như MIP
(sử dụng trong cdma2000) và GTP (sử dụng trong GSM và UMTS), cả hai cơ chế này sẽ
được phân tích sau trong chương này. Mô hình truyền tunnel số liệu gói chung này được
cho ở hình 1.1. Các tunnel trên hình vẽ (được biểu thị bằng các đường ngắt quãng đậm nét
(cho các tunnel quá khứ) và các đường liên tục (cho các tunnel hiện thời, tích cực) được
thiết lập động giữa điểm nhập mạng vô tuyến hiện thời của MS và một "điểm neo" tunnel
hay mạng nhà, đóng vai trò như một cổng cho mạng số liệu di động mà từ đó người sử
dụng nhận được dịch vụ truy nhập. Vì MS thay đổi động vị trí trong mạng (chẳng hạn di
chuyển qua vùng địa lý nào đó từ một MSC này đến một MSC khác hay đang ở biên MSC)
các tunnel được thiết lập động giữa mạng nhà của MS và mạng truy nhập vô tuyến khách.
Hình 1.1. Cơ chế truyền tunnel số liệu gói vô tuyến
Phần lớn các người sử dụng số liệu trước đây quen thuộc với truy nhập từ xa quay số
hữu tuyến đều không gặp khó khăn gì khi làm quen với các dịch vụ số liệu chuyển mạch
kênh vô tuyến. Điều này cho phép tốc độ tiếp nhận số liệu CS khá cao, mặc dù băng thông
nhỏ và các giới hạn khác của nó làm hạn chế mong muốn thường xuyên sử dụng dịch vụ
này và sử dụng nó trong thời gian dài. Tất cả các tính năng truy nhập quay số hữu tuyến
quen thuộc đều có trong nối mạng số liệu CS vô tuyến: Chuỗi mật khẩu đăng nhập quen
thuộc, khả năng truy nhập mạng hãng đơn giản bằng cách quay các số điện thoại đặc thù,
các thủ tục lập cấu hình tương tự trên các thiết bị client của người sử dụng như máy tính
xách tay.
1.2. SỐ LIỆU GÓI CDMA2000

Trong phần này chúng ta sẽ trình bầy kiến trúc số liệu gói liên kết với giao diện vô
tuyến cdma2000. Kiến trúc này cho phép các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến di động cung
cấp các dịch vụ gói hai chiều sử dụng IP. Để cung cấp chức năng này, cdma2000 sử dụng
hai phương pháp: Simple IP (IP đơn giản) và MIP (Mobile IP: IP di động).
Trong IP đơn giản, nhà cung cấp phải ấn định cho người sử dụng một địa chỉ IP động.
Địa chỉ này giữ nguyên không đổi khi người sử dụng duy trì kết nối với cùng một mạng IP
trong miền của nhà khai thác di động, nghĩa là cho đến khi người sử dụng này không ra
ngoài vùng phủ của một PDSN (Packet Data Serving Node: Nút phục vụ số liệu gói). Tuy
nhiên một địa chỉ IP mới phải nhận được khi người sử dụng nhập vào một mạng IP khác,
nghĩa là vào một vùng phủ của một PDSN khác. Dịch vụ IP đơn giản không cho phép chứa
bất kỳ sơ đồ truyền tunnel nào để cung cấp di động trên lớp mạng như đã trình bầy trong
phần đầu của chương này và chỉ hỗ trợ di động trong các biên giới địa lý nhất định.
Lưu ý một trong các ưu điểm đáng kể của IP đơn giản và không giống như MIP, nó
không đòi hỏi phần mềm đặc biệt cài đặt trong trạm di động. Toàn bộ nhu cầu của MS là
các khả năng đầu cuối và ngăn xếp PPP giống như ngăn xếp được sử dụng để thiết lập
phiên quay số hữu tuyến, thường được kết hợp với các hệ điều hành hiện đại nhất như
PocketPC2002 và Windows XP.
Phương pháp truy nhập MIP phần lớn dựa trên [RFC2002], nay thay bằng [RFC3220].
Trước hết trạm di động được nhập vào một PDSN phục vụ có hỗ trợ chức năng FA và được
ấn định địa chỉ IP bởi HA của nó. MIP cho phép MS duy trì địa chỉ IP của mình trong thời
gian phiên trong khi di chuyển trong mạng cdma2000 hay sang mạng khác hỗ trợ MIP.
Đối với các MS tương thích với tiêu chuẩn TIA/EIA [IS-2000] được nối vào một mạng
cdma2000-1x, có thể thay đổi số liệu khả dụng giữa tốc độ số liệu cơ bản 9,6kbps và các
tốc độ cụm sau: 19,2kbps; 38,4kbps; 76,8kbps và 153,6kbps.
Các cụm tốc độ cao hơn này được ấn định bởi cơ sở hạ tầng dựa trên nhu cầu của
người sử dụng và tính khả dụng của tài nguyên (cả băng thông vô tuyến lẫn các phần tử hạ
tầng). Các cụm dành cho một MS thường là đoạn thời gian ngắn từ 1 đến 2 giây. Khi này
tài nguyên và tình trạng di động được đánh giá lại. Cấp phát cụm được thực hiện độc lập
với nhau trên đường lên và đường xuống.
1.2.1. Kiến trúc hệ thống số liệu gói cdma2000

Kiến trúc hệ thống số liệu gói cdma2000 được cho như hình 1.2.
Kiến trúc trên hình 1.2 bao gồm các phần tử sau:
+ MS có dạng máy cầm tay, PDA hay PCMCIA card trong máy tính sách tay/cầm tay
hỗ trợ Simple IP hay MIP client hay cả hai.
+ Cdma2000-1x RAN (Mạng truy nhập gói cdma2000-1x).
Hình 1.2. Thí dụ kiến trúc số liệu gói cdma2000
+ PCF (Packet Control Function: Chức năng điều khiển gói).
+ PDSN hỗ trợ chức năng FA trong trường hợp MIP.
+ HA (cho phương pháp truy nhập MIP).
Khi MS kết nối đến cdma2000 BTS, trước hết nó thiết lập kết nối đến một PDSN.
Trong trường hợp MIP, sau đó MS được kết nối đến HA phục vụ của mình bằng một tunnel
giữa PDSN/FA và HA được thiết lập bằng cách sử dụng MIP. Địa chỉ IP của MS được ấn
định từ không gian địa chỉ của HA của nó hoặc được cung cấp tĩnh hoặc được ấn định
động tại đầu mỗi phiên. Tại MIP mức cao, nhận thực và trao quyền thường được thực hiện
tại cả PDSN và HA bằng cách yêu cầu hạ tầng AAA. Trong trường hợp Simple IP, địa chỉ
phải được ấn định cho MS bởi PDSN và không được cung cấp cố định trong MS. Nhận
thực cho phương pháp truy nhập này chỉ dựa trên PDSN.
Kết nối giữa MS và PDSN phục vụ của nó đòi hỏi thiết lập một lớp kết nối thứ hai cho
thông tin IP. Kết nối này được đảm bảo bởi giao thức PPP được định nghĩa bởi [RFC1661]
và hỗ trợ IPCP, LCP, PAP và CHAP. PPP được khởi đầu bởi MS trong quá trình đàm phán
kết nối và kết cuối bởi PDSN. Giữa mạng vô tuyến cdma2000 và PDSN, lưu lượng PPP
được đóng bao vào giao diện R-P (Radio-Packet). Thí dụ ngăn xếp giao thức cdma2000
cho cả trường hợp Simple IP và MIP được cho ở hình 1.3.
PCF được cho trên hình vẽ là phần tử của mạng cdma2000 RAN chịu trách nhiệm thiết
lập giao diện R-P và xử lý. Nó thường được thực hiện như một phần tử của cdma2000
MSC. (Ngoại trừ kiến trúc cdma2000-1xEVDO không dựa trên MSC). PCF có thể được
thực hiện ở đây như là một bộ phận của 1xEVDO RNC (RNC: Radio Network Controller:
Bộ điều khiển mạng hay BSC, tùy thuộc vào nhà cung cấp). Cũng có thể có thực hiện PCF
riêng. Sau khi kết nối lớp liên kết được thiết lập, PCF chỉ đơn giản chuyển tiếp các khung
PPP giữa thiết bị di động và PDSN. Một chức năng quan trọng khác của PCF là hỗ trợ di

động vi mô được thực hiện bằng cách cho phép MS thay đổi PCF trong khi vẫn giữ MS
gắn với cùng một PDSN và nhớ đệm số liệu của người sử dụng khi đoạn nối vô tuyến ngủ
được kết nối lại. ý nghĩa của tính năng này sẽ được giải thích sau trong chương này.
Hình 1.3. Thí dụ các ngăn xếp giao thức của dịch vụ gói cdma2000
Vai trò chính của PDSN trong kiến trúc cdma2000 là kết cuối các phiên PPP khởi
xướng từ MS và cung cấp chức năng FA (trong trường hợp dịch vụ MIP được yêu cầu) hay
truyền các gói IP đến chặng tiếp theo khi IP đơn giản được sử dụng. PDSN cũng có nhiệm
vụ nhận thực các người sử dụng và trao quyền cho họ đối với các dịch vụ được yêu cầu.
Cuối cùng PDSN chịu trách nhiệm thiết lập, duy trì và kết cuối kết nối liên kết dựa trên
PPP đến MS. Một cách tùy chọn, PDSN phải hỗ trợ tunnel ngược an ninh đến HA.
Đối với dịch vụ Internet cơ sở sử dụng phương pháp truy nhập IP đơn giản, PDSN ấn
định một địa chỉ IP động cho MS, kết cuối liên kết PPP của người sử dụng và chuyển các
gói trực tiếp đến Internet thông qua router cổng mặc định trên mạng IP đường trục của nhà
cung cấp dịch vụ. Các bộ định thời PPP thông thường được sử dụng và các gói từ MS có
thể được kiểm tra để đảm bảo rằng MS đang sử dụng địa chỉ IP mà PDSN ấn định cho nó
(ngoài ra còn có các quy tắc lọc và các chính sách khác mà PDSN có thể áp dụng trong chế
độ IP đơn giản).
Đối với các phương pháp truy nhập MIP, PDSN thiết lập kết nối giao thức MIP đến
mạng nhà của MS (được thể hiện bởi HA chịu trách nhiệm để ấn định địa chỉ IP). PDSN
phải hỗ trợ một chức năng AAA client để hỗ trợ một phần nhận thực MS bởi AAA server
địa phương. Theo [IS835], PDSN cũng được yêu cầu hỗ trợ nén tiêu đề TCP/TP Van
Jacobson và ba giải thuật nén PPP: Stac LZS [RFC1974], MPPC [RFC2118] và
Deflate[RFC2394], giải thuật sau cùng được sử dụng nhiều nhất bởi các MS dựa trên
Linux và UNIX.
Giao diện R-P kết nối PCF và PDSN (còn được định bởi TIA/EIA là A10/A11) là một
giao diện mở dựa trên giao thức truyền tunnel GRE và được sử dụng để kết nối mạng vô
tuyến và PDSN. Giao thức giao diện R-P thực chất giống như MIP trong đó PCF hoạt động
như FA và PDSN hoạt động như HA (giao diện R-P sử dụng các GRE tunnel cho mặt
phẳng lưu lượng và các bản tin RRQ/RRP: Registration Request/Registration Response cho
báo hiệu). Có một số lý do để đưa ra giao diện R-P hay nói một cách khác "tách riêng" các

chức năng PCF và PDSN. Bằng cách hỗ trợ giao diện R-P, các thiết bị di động dựa trên IP
có thể đi qua các biên giới MSC mà không ảnh hưởng lên tính liên tục của các phiên người
sử dụng. Nói một cách khác, nếu người sử dụng chuyển dịch vào một vùng phủ MSC,
phiên người sử dụng không bị cắt và người này không buộc phải kết nối lại đến MSC mới
và nhận một địa chỉ IP mới. Điều này được thực hiện bằng các chuyển giao PCF (PCF
transfers) trong khi vẫn giữ MS nối vào (neo vào) cùng một PDSN. Tuy nhiên điều này đòi
hỏi rằng tất cả các PCF phục vụ có kết nối mạng đến cùng một tập PDSN. Một mục đích
khác để tách PDSN ra khỏi PCF là để cho phép nhà cung cấp dịch vụ chọn các PDSN từ
các nhà cung cấp thứ ba khác với các nhà cung cấp các cơ sở hạ tầng cho họ như các MSC
và PCF. Vì thế R-P cho phép các hãng vô tuyến đưa ra các giải pháp PDSN đa nhà cung
cấp vào mạng của họ. Vì thế không ngạc nhiên là cộng đồng nhà khai thác hầu như tán
thành quá trình tiêu chuẩn hóa R-P này.
1.2.2. Triển vọng MS
Các cdma2000 MS có thể nhận thực cùng với HLR của nhà cung cấp dịch vụ cho truy
nhập vô tuyến và nhận thực với PDSN và HA bằng cách sử dụng các phương pháp truy
nhập IP đơn giản hay MIP cho truy nhập mạng số liệu. Các MS phải hỗ trợ giao thức nối
mạng PPP tiêu chuẩn và có khả năng hỗ trợ nhận thực dựa trên CHAP trong giai đoạn nhận
thực PPP cho dịch vụ IP đơn giản. Đối với dịch vụ MIP, MS cũng phải hỗ trợ MIP client
như mô tả trong [IS-835]. Trong chế độ này MS trao đổi thông tin với HA qua PDSN phục
vụ trong mạng khách. Nếu MS hỗ trợ một hay nhiều tùy chọn thuật toán giải nén như
MPPC hay Stac LZS hay Deflate, thì việc nén PPP có thể đàm phán trong giai đoạn kết nối
với PDSN, do vậy sẽ tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên vô tuyến và tăng cường hiệu quả
sử dụng thông qua tốc độ số liệu cao hơn.
1.2.2.1. Trạng thái ngủ
"Trạng thái ngủ" của MS trên đường truyền vô tuyến (theo định nghĩa của TIA [IS-
707A1]) cho phép hoặc MS hoặc MSC tạm ngưng kết nối đường truyền vô tuyến tích cực
sau một khoảng thời gian không tích cực để giải phóng giao diện vô tuyến và các tài
nguyên BTS đang phục vụ. Nếu hoặc MS hoặc PCF liên kết có các gói cần phát trong khi
ngủ, kết nối được tích cực trở lại và truyền dẫn lại tiếp tục. Các MS ngủ được định nghĩa là
các MS không có kết nối lớp liên kết tích cực đến PCF. Tất cả các MS (tích cực hay ngủ)

đều được đăng ký sử dụng phương pháp truy nhập MIP, có mặt trong danh sách máy khách
của PDSN và một ràng buộc với HA tương ứng. Cần chú ý rằng trạng thái ngủ chỉ ảnh
hưởng kết nối đường vô tuyến, trong khi đó thì các MS vẫn còn giữ kết nối PPP với PDSN,
và PDSN sẽ không quan tâm tới trạng thái của MN.
PDSN phục vụ các người sử dụng tại mạng khách hoạt động như một router mặc định
cho tất cả các người sử dụng di động được đăng ký (tích cực và ngủ) và duy trì các tuyến
máy trạm đến họ. Đối với chế độ MIP, PDSN/FA theo dõi thời gian còn lại của khoảng thời
gian đăng ký có hiệu lực (Registration Lifetime) cho từng MS trong bảng định tuyến của
nó và MS chịu trách nhiệm làm mới lại thời hạn của nó với HA. Nếu MS không đăng ký
lại trước khi hết hạn đăng ký, PDSN sẽ chấm dứt liên kết với PCF phục vụ MS này và kết
cuối phiên MS (và HA cũng làm tương tự nếu MS không đăng ký lại qua một PDSN khác).
Sau khi thời hạn đang ký của MS đã hết, PDSN/FA sẽ dừng định tuyến các gói đến nó. Để
nhận và gửi các gói, các MS ngủ phải chuyển sang trạng thái tích cực. Giả sử bất kỳ một
MS nào cũng có thể ở kiểu trạng thái ngủ hoặc tích cực, PDSN nói chung không yêu cầu
chỉ thị trạng thái của các liên kết PPP tới MS ngoại trừ giá trị định thời trạng thái ngủ hiện
thời đối với mỗi kết nối cụ thể. Lưu lượng có thể hướng đến một liên kết ngủ tại bất kỳ
thời điểm nào, buộc MS liên quan phải chuyển sang trạng thái tích cực. Đối với các liên
kết PPP tích cực mang lưu lượng, PDSN kết cuối phiên PPP với MS và chuyển tiếp lưu
lượng IP được đóng bao đến MS từ HA hay từ MS đến HA qua truyền tunnel ngược. Tồn
tại một tunnel riêng cho mỗi HA dùng cho tất cả các người sử dụng đã đăng ký.
1.2.2.2. Các kiểu MS
Tồn tại hai kiểu cấu hình MS cơ bản: Mô hình chuyển tiếp và mô hình mạng. Trong các
MS mô hình chuyển tiếp (Relay Model), đầu cuối di động cdma2000 được kết nối đến một
đầu cuối số liệu cầm tay khác như máy tính xách tay, thiết bị tính toán cầm tay hay đầu
cuối số liệu đặt trong thiết bị nào đó khác. Máy thoại mô hình chuyển tiếp không kết cuối
bất kỳ lớp giao thức nào trừ lớp vật lý của cdma2000 (giao diện vô tuyến) và các lớp RLP.
Thiết bị đầu cuối số liệu đi kèm phải kết cuối tất cả các giao thức lớp cao hơn (PPP, IP,
TCP/UDP…).
MS mô hình mạng, ngoài giao diện vô tuyến, kết cuối tất cả các giao thức cần thiết và
không cần bất cứ thiết bị đầu cuối bổ sung nào. Bản thân máy thoại di động cung cấp tất cả

các khả năng hiển thị và đầu vào của người sử dụng cùng với các ứng dụng để sử dụng
mạng số liệu gói. Thí dụ về loại điện thoại này gồm cả "điện thoại thông minh" và điện
thoại "trình duyệt". Các thiết bị này thường có ứng dụng trình duyệt hay dịch vụ tin học
bên trong cùng với một màn hiện thị thông tin thu được từ Internet server. Các loại đầu
cuối này có thể cung cấp khả năng kết nối tới một máy tính xách tay kết cuối tới mạng số
liệu thông qua một phiên PPP. Trong cấu hình này, chiếc điện thoại có thể hỗ trợ các trình
ứng dụng như trình duyệt nhỏ, đồng thời cũng cho sử dụng với mục đích thông thường qua
một điểm đầu cuối số liệu bên ngoài.
1.2.3. Các mức di động của cdma2000
Kiến trúc số liệu gói cdma2000 định nghĩa ba mức di động cho MS như mô tả ở hình
1.4. Mức thứ nhất được trình bầy tại lớp vật lý bởi chuyển giao mềm hay bán mềm giữa
các BTS, trong khi MS neo giữ đến cùng một PCF. Điều này được thực hiện bởi truy nhập
vô tuyến cdma2000 và không nhìn thấy đối với cả PCF và PDSN.