Thạc Sĩ Sử dụng IP cho mạng di động thế hệ mới

[TABLE="class: itemDisplayTable"]
[TR]
[TD="class: metadataFieldLabel"]Nhà xuất bản:[/TD]
[TD="class: metadataFieldValue"]Đại học Bách Khoa Hà Nội[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="class: metadataFieldLabel"]Series/Report no.:[/TD]
[TD="class: metadataFieldValue"]H.
2006
113tr.[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="class: metadataFieldLabel"]Tóm tắt:[/TD]
[TD="class: metadataFieldValue"]Chương 1: Trình bày lịch sử phát triển của mạng 3G, các kỹ thuật đa truy nhập (FDMA, TDMA, CDMA) các nhà cung cấp dịch vụ 3G trên thế giới và giới thiệu về đặc điểm, cấu trúc mạng NGN
.- Chương 2: Giới thiệu về giao thức mobile IP, truyền số liệu trong mạng mobile IP và mobile IPv6 (MIP) .
- Chương 3: Giới thiệu về lợi ích, cấu trúc địa chỉ của IPv6, cách đặt địa chỉ trong IPv6
- Chương 4: Đưa ra các vấn đề chung và năm giải pháp thực hiện IPv6 trên nền IPv4 .[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
MỞ ĐẦU
Từ những thời gian đầu vào những năm 70 và 80 của Internet và cho đến
ngày nay, Internet đã tạo lập cho mình một vị trí thống trị trong truyền thông
toàn cầu cho phép tạo ra một số lượng rất đa dạng các ứng dụng máy tính.
Các ứng dụng Internet hiển nhiên là hết sức cần thiết xét từ góc độ Internet,
nhưng tất cả các dự báo đều cho thấy các ứng dụng này cũng trở nên cần
thiết với hầu hết các mạng vô tuyến trong tương lai. Ngành công nghiệp này
cũng đã nhận thức được rất rõ các hạn chế của giao thức IPv4, các nhà cung
cấp mạng di động thế hệ sau cũng như các nhà cung cấp thiết bị cho biết họ
cần số lượng địa chỉ IP cho hàng triệu thiết bị. Một trong những tiêu chí
chính của các nhà khai thác mạng di động tương lai là khả năng luôn luôn
kết nối với mạng của người sử dụng. Điều này đòi hỏi một số lượng lớn địa
chỉ IP. IPv6 cung cấp thêm nhiều khả năng trong đó đáng chú ý nhất là sự
mở rộng về không gian địa chỉ, IPv6 có không gian địa chỉ là 128 bit trong
khi IPv4 chỉ sử dụng 32 bit.
Việc tổ hợp IPv6 và các hệ thống di động (như GSM/GPRS và UMTS) sẽ
giảm thiểu được các vấn đề hiện tại về sự thiếu hụt của cả hai bên IP và mạng
di động: thiếu địa chỉ IP, chất lượng dịch vụ và bảo mật trong IP và sự thiếu
hụt phổ tần trong mạng di động. Bằng cách tổ hợp hai công nghệ này, có thể
đảm bảo cung cấp lợi ích tốt nhất cho người sử dụng di động đầu cuối.
Trong luận văn này trình bày các vấn đề cần thiết khi đưa IPv6 vào mạng
di động tương lai. Chương 1 trình bày tổng quan về mạng 3G, chương 2 giới
thiệu về mobile IP, chương 3 trình bày về IPv6 và chương 4 đưa ra các giải
pháp thực hiện IPv6 trên nền IPv4.


7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG 3G
1.1. Lịch sử phát triển.
Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ
nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số
(FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di
động. Nhược điểm của các hệ thống này là chất lượng thấp, vùng phủ sóng
hẹp và dung lượng nhỏ. Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ hai
(2G) được đưa vào khai thác sử dụng công nghệ số đa truy nhập phân chia
theo thời gian (TDMA). Đến đầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được
dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở Châu Âu. Đến giữa thập
kỷ 1990, đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) trở thành loại hệ thống 2G
thứ hai khi người Mỹ đưa ra Tiêu chuẩn nội địa - 95 (IS-95), nay gọi là
cdmaOne.
Tất cả các hệ thống 2G đều có khả năng cung cấp chất lượng và dung
lượng cao hơn. Chuyển vùng trở thành một phần của dịch vụ và vùng phủ
sóng cũng ngày một rộng hơn, nhưng vẫn phải đối mặt với các vấn đề hạn chế
về dung lượng trên nhiều thị trường. Thông tin di động ngày nay đang tiến tới
một hệ thống thế hệ thứ ba hứa hẹn dung lượng thoại lớn hơn, kết nối dữ liệu
di động tốc độ cao hơn và sử dụng các ứng dụng đa phương tiện. Các hệ
thống vô tuyến thế hệ thứ 3 (3G) cần cung cấp dịch vụ thoại với chất lượng
tương đương các hệ thống hữu tuyến và dịch vụ truyền số liệu có tốc độ từ
144kbit/s đến 2 Mbit/s.
Hiện đang có 2 hệ thống tiêu chuẩn hoá: một chuẩn dựa trên hệ thống
CDMA băng hẹp IS-95, được gọi là cdma2000. Chuẩn kia là sự kết hợp của
các tiêu chuẩn Nhật Bản và Châu Âu do Dự án Hợp tác Thế hệ thứ 3 (3GPP)
tổ chức. 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn vô tuyến tên là truy nhập vô tuyến


8
mặt đất (UTRA-UMTS Terrestrial Radio Access) UMTS. Tiêu chuẩn này có
2 sơ đồ truy nhập vô tuyến. Một trong số đó sắp xếp các cặp dải tần thông qua
ghép song công phân chia theo tần số (FDD)-thường gọi là CDMA băng
thông rộng (WCDMA).
1.1.1. Các kỹ thuật đa truy nhập (FDMA, TDMA VÀ CDMA).
Trước khi xem xét tương lai 3G, cũng cần khảo sát hoạt động của từng
giao diện nói trên. Thứ nhất, các kênh này được ghép cặp sao cho một kênh đi
từ trạm di động đến trạm gốc và kênh kia đi từ trạm gốc đến trạm di động, tạo
điều kiện cho liên lạc song công. Hình 1.1 minh hoạ giao diện không gian với
đường lên và đường xuống. Thứ hai, có một tập các kênh điều khiển 2 chiều
dùng để điều khiển các kênh thoại. Cuối cùng, giao diện không gian cần một
quy trình mà ở đó, các kênh thoại được phân bổ cho nhiều người dùng đồng
thời. FDMA, TDMA và CDMA là các phương thức phân bổ kênh của giao
diện không gian.
Hình 1.1. Tổng quan về hệ thống vô tuyến
- FDMA là phương thức phân bổ đầu tiên và ra đời sớm nhất. Một thuê bao
muốn tạo một cuộc gọi sẽ phải nhập số điện thoại cần gọi và nhấn phím gửi.


9
Nếu còn dung lượng thoại cho tế bào, một cặp kênh sẽ được phân bổ cho trạm
di động để phục vụ đàm thoại - mỗi kênh cho một chiều thoại. Xét trên một sơ
đồ phân bổ tế bào điển hình, số chiều thoại tối đa của một tế bào bất kỳ là
khoảng 60. Rõ ràng là không thể phục vụ hàng triệu người dùng với một dung
lượng hạn chế như thế.
- Các hệ thống TDMA khắc phục vấn đề dung lượng kênh bằng cách
chia kênh vô tuyến đơn thành các khe thời gian và phân bổ 1 khe thời gian
cho mỗi thuê bao. Ví dụ, hệ thống TDMA của Hoa Kỳ có 3 khe thời gian trên
mỗi kênh trong khi hệ thống GSM có 8 khe thời gian trên mỗi kênh. Để sử
dụng các khe thời gian, tín hiệu thoại tương tự cần được chuyển sang dạng số.
Một bộ mã hoá thoại, được gọi là vocoder, thực hiện công việc này. Dung
lượng có được ban đầu hơi nhỏ song với việc dùng các vocoder tốc độ bít
thấp, số kênh thoại trên mỗi kênh vô tuyến có thể được tăng lên đáng kể .
Công nghệ này đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA.
- Còn công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là công nghệ
trải phổ cho phép nhiều tần số được sử dụng đồng thời; mã hóa từng gói tín
hiệu số bằng một mã khóa duy nhất trước khi đưa lên kênh vật lý và gửi đi.
Quá trình này còn được gọi là điều chế tạp âm vì tín hiệu đầu ra của nó giống
như tạp âm nền. Bộ nhận CDMA chỉ biết nhận và giải mã. Công nghệ này có
tính bảo mật tín hiệu cao hơn TDMA. Theo các chuyên gia CNTT Việt Nam,
xét ở góc độ bảo mật thông tin, CDMA có tính năng ưu việt hơn.
Nhờ hệ thống kích hoạt thoại, hiệu suất tái sử dụng tần số trải phổ cao và
điều khiển năng lượng, nên nó cho phép quản lý số lượng thuê bao cao gấp 5 -
20 lần so với công nghệ GSM. Áp dụng kỹ thuật mã hóa thoại mới, CDMA
nâng chất lượng thoại lên ngang bằng với hệ thống điện thoại hữu tuyến. Đối
với điện thoại di động, để đảm bảo tính di động, các trạm phát phải được đặt
rải rác khắp nơi. Mỗi trạm sẽ phủ sóng một vùng nhất định và chịu trách


10
nhiệm với các thuê bao trong vùng đó. Với CDMA, ở vùng chuyển giao, thuê
bao có thể liên lạc với 2 hoặc 3 trạm thu phát cùng một lúc, do đó cuộc gọi
không bị ngắt quãng, làm giảm đáng kể xác suất rớt cuộc gọi.
Một ưu điểm khác nữa của CDMA là nhờ sử dụng các thuật toán điều
khiển nhanh và chính xác, thuê bao chỉ phát ở mức công suất vừa đủ để đảm
bảo chất lượng tín hiệu, giúp tăng tuổi thọ của pin, thời gian chờ và đàm
thoại. Máy điện thoại di động CDMA cũng có thể sử dụng pin nhỏ hơn, nên
trọng lượng máy nhẹ, kích thước gọn và dễ sử dụng.
Trong thông tin di động, thuê bao di động di chuyển khắp nơi với nhiều
tốc độ khác nhau, vì thế tín hiệu phát ra có thể bị sụt giảm một cách ngẫu
nhiên. Để bù cho sự sụt giảm này, hệ thống phải điều khiển cho thuê bao tăng
mức công suất phát. Các hệ thống analog và GSM hiện nay có khả năng điều
khiển chậm và đơn giản, thuê bao không thể thay đổi mức công suất đủ
nhanh, do đó phải luôn luôn phát ở công suất cao hơn vài dB so với mức cần
thiết. Tuy nhiên, để sử dụng mạng điện thoại di động CDMA, người dùng
phải trang bị thiết bị đầu cuối phù hợp với công nghệ của mạng. Trong vấn đề
bảo mật, CDMA cung cấp chế độ bảo mật cao nhờ sử dụng tín hiệu trải băng
phổ rộng. Các tín hiệu băng rộng khó bị rò ra vì nó xuất hiện ở mức nhiễu,
những người có ý định nghe trộm sẽ chỉ nghe được những tín hiệu vô nghĩa.
Ngoài ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các công nghệ hiện có, nhà cung cấp
dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ như thoại, thoại và dữ liệu,
fax, Internet .
Không chỉ ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, CDMA còn thích
hợp sử dụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định với chất
lượng ngang bằng với hệ thống hữu tuyến, nhờ áp dụng kỹ thuật mã hóa mới.
Đặc biệt các hệ thống này có thể triển khai và mở rộng nhanh và chi phí hiện
thấp hơn hầu hết các mạng hữu tuyến khác, vì đòi hỏi ít trạm thu phát.


11
Tuy nhiên, những máy điện thoại di động đang sử dụng chuẩn GSM hiện
nay không thể sử dụng chuẩn CDMA. Nếu tiếp tục phát triển GSM, hệ thống
thông tin di động này sẽ phải phát triển lên WTDMA mới đáp ứng được nhu
cầu truy cập di động các loại thông tin từ mạng Internet với tốc độ cao, thay
vì với tốc độ 9.600 bit/giây như hiện nay, và so với tốc độ 144.000 bit/giây
của CDMA
Trong hơn một tỷ thuê bao điện thoại di động trên thế giới, khoảng 863,6
triệu thuê bao sử dụng công nghệ GSM, 120 triệu dùng CDMA và 290 triệu
còn lại dùng FDMA hoặc TDMA. Khi tiến tới 3G, các hệ thống GSM và
CDMA sẽ tiếp tục phát triển trong khi TDMA và FDMA sẽ chìm dần vào
quên lãng. Con đường GSM sẽ tới là CDMA băng thông rộng (WCDMA)
trong khi CDMA sẽ là cdma2000.
1.1.2. Mạng di động 3G
Từ thập niên 1990, Liên minh Viễn thông Quốc tế đã bắt tay vào việc phát
triển một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động. Kết quả là một
sản phẩm được gọi là Thông tin di động toàn cầu 2000 (IMT-2000). Con số
2000 có nghĩa là sản phẩm này sẽ có mặt vào khoảng năm 2000, nhưng thực
tế là chậm đến 2, 3 năm. IMT-2000 không chỉ là một bộ dịch vụ, nó đáp ứng
ước mơ liên lạc từ bất cứ nơi đâu và vào bất cứ lúc nào. Để được như vậy,
IMT-2000 tạo điều kiện tích hợp các mạng mặt đất và (hoặc) vệ tinh. Hơn thế
nữa, IMT-2000 cũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ các mạng cố định
và di động, quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phương tiện di
động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng.
Như đã nói, các hệ thống 3G cần phải hoạt động trên một dải phổ đủ rộng
và cung cấp được các dịch vụ thoại, dữ liệu, đa phương tiện. Đối với một thuê
bao hoạt động trên một ô siêu nhỏ (picrocell), tốc độ dữ liệu có thể đến 2,048
Mbit/s. Với một thuê bao di động với tốc độ chậm hoạt động trên một ô cực


12
nhỏ (microcell), tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 348 kbit/s. Với một người dùng
di động trên phương tiện giao thông hoạt động trên một ô lớn (macrocell), tốc
độ dữ liệu có thể đạt tới 144 kbit/s. Hình 1.2 minh hoạ mối quan hệ giữa các
khu vực dịch vụ khác nhau của IMT-2000. Một phần quan trọng của hệ thống
này là dịch vụ chuyển mạch gói dữ liệu. Con đường tiến lên 3G từ 2G bắt đầu
từ sự ra đời của các dịch vụ dữ liệu bùng nổ và theo gói.
Hình 1.2. Các khu vực dịch vụ của IMT-2000
Con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng.
Trên thị trường châu Âu, WCDMA được gọi là Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu (UMTS). Trong cấu trúc dịch vụ 3G, cần có băng thông rất lớn và
như thế cần nhiều phổ tần hơn. Các nhà cung cấp dịch vụ châu Âu dùng hơn
100 tỷ USD để mua phổ tần cho các dịch vụ 3G, các nhà cung cấp dịch vụ
khác trên thế giới cũng đã phân bổ phổ 3G. Ở Hoa Kỳ, FCC chưa thể nhanh
chóng phân bổ bất cứ phổ nào cho các dịch vụ 3G. Hoa Kỳ có khoảng
190MHz phổ tần phân bổ cho các dịch vụ vô tuyến di động trong khi phần
còn lại của thế giới chỉ được phân bổ 400 MHz. Vì thế có thể tin rằng sự phát
triển lên 3G ở Hoa Kỳ sẽ rất khác với phần còn lại của thế giới.


13
Để đến 3G có lẽ cần phải đi qua giai đoạn 2,5G. Nói chung, 2,5G bao
gồm một hoặc tất cả các công nghệ sau: Dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao
(HSCSD), Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS), Tốc độ dữ liệu nâng cao cho
sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE).