Khóa luận Tìm hiểu về WLANs, WPANs và xu hướng phát triển thông tin di động 4G

WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 1 ®¹i häc quèc gia hµ néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ khoa ®iÖn tö - viÔn th«ng KHO¸ LUËN TèT NGHIÖP T×m hiÓ u vÒ WLANs, WPANs vµ xu h−íng ph¸t triÓn th«ng tin di ®éng 4G Ng−êi thùc hiÖn: L−u ThÞ Thu HiÒn Gi¸o viªn h−íng dÉn: Th.S NguyÔn Phi Hïng WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 2 Hµ Néi 6/2005 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. Với tính năng ưu việt, và các ứng dụng đã được áp dụng rộng rãi của mạng WLAN ( mạng LAN không dây), em đã đi sâu tìm hiểu về đặc tính và các khả năng đang được sử dụng trong truyền thông của WLAN. Từ khả năng truyền thông di động dựa trên cơ sở thông tin vô tuyến và sự tiến bộ của môi trường không dây đã đưa ra giải pháp mạng PAN giúp mở rộng môi trường cá nhân đáp ứng các dịch vụ trong công việc hay giải trí, có khả năng thực hiện kết nối mạng phục vụ đa người dùng. Chính các tính năng nổi trội và khả năng ứng dụng của PAN mà đặc biệt là B-PAN mà em nghiên cứu trong bản khoá luận đã cho thấy được ý nghĩa của giải pháp mạng PAN trong truyền thông. 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 WLANs, WPANs và 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. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 3 Mục lục Trang Lời mở đầu........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ 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 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 4 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 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 5 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 K ết luận ................................................................................................................ 94 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 6 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 Khả năng truyền thông di động được dựa trên cơ sở thông tin vô tuyến, đã trải qua sự phát triển mạnh trong những thập niên trước (như GSM, GPRS, AMT- 2000…). Sự phát triển những tốc độ truyền bit dữ liệu cao hơn dẫn đến sự hình thành các hệ thống không dây và các giải pháp mạng mới. Sự tiến bộ của môi trường không dây và yêu cầu về khả năng di động tốt hơn tạo nên sự thay thế các kết nối cố định tới mạng và đưa ra các giải pháp về mạng PAN. PAN là một giải pháp mạng giúp mở rộng môi trường cá nhân đáp ứng các dịch vụ trong công việc hay giải trí, do việc kết nối mạng thực hiện sự phục vụ đa người dùng ngoài ra có thể sử dụng các thiết bị trong vùng không gian bao phủ mỗi tế bào và cung cấp khả năng truyền thông trong không gian đó với thế giới bên ngoài. Điều này cũng làm khái niệm thiết bị đầu cuối được thay thế bởi khái niêm người dùng và không gian cục bộ của họ. PAN là một thành viên trong nhóm GIMCV. 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. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 7 Nôi dung bản khoá luận được trình bày trên 90 trang và được bố cục thành 4 chương gồm những phần lớn sau: - Tổng quan về sự phát triển của thông tin di động và hệ thống thông tin di động thế hệ 4G - Các ưu điểm và các ứng dụng rộng rãi của WLAN - Giải pháp về mạng WPAN và các đặc tính nổi bật của B-PAN - Sự hình thành hệ thống thông tin di động 4G - Kết luận Để có được bản khoá luận hoàn thiện như hôm nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô giáo, bạn bè và người thân trong gia đình. Trước hết, em xin gửi tới thầy giáo ThS Phạm Phi Hùng đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khoá luận lời chúc sức khoẻ và lòng biết ơn sâu sắc. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường đặc biệt là các thầy cô giáo khoa Điện Tử-Viễn Thông đã cho em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập tại khoa. Cảm ơn gia đình, và bạn bè đã dành nhiều sự giúp đỡ cho em trong thời gian thực hiện khoá luận. Hà Nội ngày 05 tháng 06 năm 2005 Sinh viên Lưu Thị Thu Hiền WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 8 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. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 9 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. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 10 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