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-spectrum”[5] đã chiếm thị phần lớn trên thị trường. Do “spread spectrum” sử dụng băng rộng, các tín hiệu dạng nhiễu thường rất khó phát hiện. Chúng cũng không dễ bị chặn hay giải điều chế. Ngoài ra, các tín hiệu “spread spectrum” thường khó khăn hơn khi gây nhiễu (jam) so với các tín hiệu băng hẹp. Những đặc tính LPI (Low Probability of Intercept) và AJ (antijam) là nguyên nhân chính vì sao quân đội đã sử dụng “spread spectrum” trong nhiều năm. Cả hai công nghệ mạng GSM và CDMA ngày càng được cải tiến về băng thông, thêm các tính năng và độ tin cậy với giá thành thấp hơn nhằm giữ chỗ khách hàng.

CdmaOne hỗ trợ truyền thông di động 2G đi vào quên lãng

Chuẩn CDMA IS-95 của TIA/EIA (công bố vào tháng 7/1993) thiết lập những nguyên tắc nền tảng cho hệ thống truyền thông không dây số đầu cuối. Kiến trúc hệ thống mạng thương mại dựa trên chuẩn này được biết với tên CdmaOne. IS-95 của TIA/EIA và phiên bản có sửa đổi tiếp theo IS-95A (công bố vào tháng 3/1995) tạo ra cơ sở cho phần lớn các mạng trên nền tảng CDMA 2G được triển khai trên toàn thế giới.

Từ quan điểm các dịch vụ thoại, công nghệ CdmaOne cung cấp những tính năng quan trọng cho các nhà điều hành mạng di động như :

Sự tăng dung lượng thoại từ 8X đến 10X cho thấy tính hơn hẳn khi so với các hệ thống AMPS Analog.

Sự quy hoạch mạng được đơn giản hoá, với cùng tần số được sử dụng trong mỗi vùng của mỗi ô phủ sóng (cell).

Cơ sở hạ tầng CDMA 2G lúc đầu đã chứng tỏ tính hiệu quả trong việc chuyển giao với chất lượng cao, lưu lượng thoại mất mát thấp. Tuy vậy, nó cũng không tồn tại được lâu do người dùng di động bắt đầu có những nhu cầu về các dịch vụ dữ liệu cơ bản như các dịch vụ Internet và Intranet, các ứng dụng đa phương tiện hay các giao dịch thương mại tốc độ cao được bổ sung thêm vào các dich vụ thoại đơn thuần trên các máy điện thoại của họ. Chuẩn IS-95A của TIA/EIA đã đáp ứng đòi hỏi này với việc định ra các kênh CDMA 1.25 MHz băng rộng, điều khiển nguồn, xử lý cuộc gọi, các kỹ thuật “hand-off”[3] và đăng ký (registration) phục vụ cho hoạt động của hệ thống. IS-95A TIA/EIA đã đem đến các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh phù hợp cho các thuê bao CDMA. Tuy nhiên, các dịch vụ này bị giới hạn với tốc độ tối đa là 14.4 Kbit/s cho mỗi người dùng.

Giai đoạn thứ hai của phiên bản sửa đổi cho đặc tả gốc đã cho ra đời chuẩn IS-95B TIA/EIA. Chuẩn này đã cung cấp cho các thuê bao các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói với các tốc độ lên đến 64 Kbit/s cho mỗi thuê bao ngoài các dịch vụ thoại hiện có. Với tốc độ dữ liệu tăng lên, các mạng tương thích IS-95B TIA/EIA được xem như công nghệ CDMA 2.5G.

Cdma2000 thế chỗ CdmaOne

Sự chuyển tiếp sang thế hệ mạng 3G hiện vẫn đang được thực thi với một số lượng lớn các chuẩn mới được đề nghị. Một số được thiết kế dựa trên cơ sở hạ tầng GSM và số khác ra đời trực tiếp từ công nghệ CDMA. Cuối cùng tổ chức ITU cũng định ra một chuẩn IMT-2000 bao gồm 5 giao diện vô tuyến khác nhau trong đó có CDMA2000. Lưu ý rằng tất cả các giao thức IMT-2000 đều sử dụng kỹ thuật “spread-spectrum”[5] có liên quan đến cài đặt, hoạt động và bảo trì mạng.

ITU định nghĩa một mạng 3G là một mạng truyền thông trong đó dung lượng hệ thống và hiệu suất phổ được cải tiến so với các hệ thống 2G. 3G hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu với các tốc độ truyền tối thiểu là 144 Kbit/s trong môi trường di động và 2 Mbit/s trong môi trường cố định. Kiến trúc CDMA2000 phải đối mặt với các mục tiêu trên và bao gồm cả một số bổ sung mà một nhà khai thác có thể lựa chọn để phục vụ cho chiến lược chuyển tiếp dựa trên cơ sở hạ tầng hiện có, giá cả và một số yếu tố khác.

Những bổ sung này bao gồm CDMA2000 1X và CDMA2000 1xEV:

+ CDMA2000 1X tăng gấp đôi dung lượng thoại so với các mạng CdmaOne, phân bổ các tốc độ dữ liệu tối đa là 307 Kbit/s cho mỗi thuê bao trong môi trường di động.

+ CDMA2000 1xEV bao gồm hai biến thể, cả hai đều tương thích ngược với các công nghệ CDMA2000 1X và CdmaOne.

CDMA2000 1xEV-DO (Data Only - chỉ dữ liệu) có khả năng phân bổ các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện như truyền MP3, hội nghị truyền hình với tốc độ dữ liệu tối đa là 2.4 Mbit/s cho mỗi thuê bao trong môi trường di động.

CDMA2000 1xEV-DV (Data Voice - dữ liệu và thoại) cung cấp các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện và thoại tích hợp đồng thời với tốc độ dữ liệu tối đa là 3.09 Mbit/s cho mỗi thuê bao.

Một cấu trúc mạng được thiết kế cho truyền thông gói hoá

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-off”[3] từ một vị trí ô phủ sóng tới một vị trí ô phủ sóng khác nếu thấy cần thiết. BSC kết nối với mỗi MTX có sử dụng các đường T1 phân kênh cho thoại và dữ liệu chuyển mạch kênh và với các đường T1 không phân kênh cho báo hiệu và điều khiển các thông báo đến PDSN có sử dụng giao thức Ethernet 10BaseT.

PCF (Packet Control Function) định tuyến dữ liệu gói IP giữa trạm di động trong phạm vi các vị trí ô phủ sóng (cell) và PDSN (Packet Data Serving Node). Trong thời gian các phiên dữ liệu dạng gói tin, PCF sẽ phân bổ các kênh phụ sẵn có nếu thấy cần để tuân theo các dịch vụ được yêu cầu từ thiết bị di động và trả trước từ các thuê bao. PCF duy trì một trạng thái “reachable” giữa RN và trạm di động để đảm bảo một liên kết bền vững cho các gói tin, làm vùng đệm cho gói tin đến từ PDSN trong khi các tài nguyên vô tuyến không có hay không đủ để hỗ trợ lưu lượng từ PDSN và chuyển tiếp các gói tin giữa MS và PDSN.

Vai trò mạng nòng cốt trong cơ sở hạ tầng CDMA

Packet Data Serving Node/Foreign Agent (PDSN/FA)

PDSN/FA là cổng nối (gateway) từ RAN vào trong các mạng gói công cộng hay riêng. Trong một mạng IP đơn giản, PDSN hoạt động như là một NSA (Network Access Server) độc lập, trong khi trong một mạng IP di động nó có thể được cấu hình như là một HA (Home Agent)[2] hay một FA (Foreign Agent).

PDSN thực hiện các chức năng sau đây:

• Quản lý giao diện gói tin vô tuyến giữa BSS (Base Station Subsystem = BTS + BSC) và mạng IP qua việc thiết lập, duy trì và kết nối lớp liên kết đến client di động.

• Kết thúc phiên PPP được tạo ra từ nhà thuê bao.
• Cung cấp địa chỉ IP cho nhà thuê bao.
• Thực hiện định tuyến gói tin đến các mạng dữ liệu gói tin bên ngoài hay định tuyến gói tin đến HA tuỳ chọn để trở thành các đường hầm (tunnel) an toàn.
• Thu lượm và chuyển tiếp gói tin tính cước dữ liệu.
• Quản lý các dịch vụ thuê bao dựa trên cơ sở thông tin sơ lược nhận được từ máy phục vụ SCS của máy phục vụ AAA[1].
• Chứng thực người dùng cục bộ hay chuyển tiếp các yêu cầu chứng thực cho máy phục vụ AAA.

(Hết phần I)