Nghiên cứu công nghệ mạng riêng ảo VPN, MPLS và triển khai ứng dụng tại ngân hàng nhà nước Việt Nam

3 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt AH Authentication Header Xác thực tiêu đề ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền dẫn không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trương Hoài Nam

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠNG RIÊNG ẢO VPN/MPLS VÀ TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG TẠI

NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội - 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trương Hoài Nam

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠNG RIÊNG ẢO VPN/MPLS VÀ TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG TẠI

NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 3

Danh mục các hình vẽ 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG RIÊNG ẢO VPN 9

1.1 Giới thiệu về VPN 9

1.2 Các loại mạng VPN 10

1.2.1 VPN truy cập từ xa (Remote access VPN) 10

1.2.2 Intranet VPN 10

1.2.3 Extranet VPN 11

1.3 Các thành phần trong mạng VPN 11

1.4 Các giao thức tạo đường hầm trong VPN 15

1.4.1 Giao thức PPTP (Point-To-Point Tunning Protocol) 17

1.4.2 Giao thức L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol) 23

1.4.3 Giao thức IPSec (IP Security Protocol) 26

1.4.4 SSL VPN (Secure Socket Layer VPN) 30

CHƯƠNG 2 BẢO MẬT TRONG VPN 33

2.1 Các dịch vụ bảo mật 33

2.1.1 Xác thực 33

2.1.2 Chữ ký điện tử 35

2.1.3 Kiểm soát truy cập 38

2.1.4 Tính bí mật dữ liệu 38

2.1.5 Tính toàn vẹn dữ liệu 39

2.2 Bảo mật trong giao thức PPTP 40

2.3 Bảo mật trong giao thức L2TP 41

2.4 Bảo mật trong giao thức IPSec 41

2.4.1 Bảo mật trong AH 41

2.4.1.1 Thuật toán băm MD5 41

2.4.1.2 Thuật toán SHA1 43

2.4.1.3 Thuật toán HMAC 44

2.4.2 Bảo mật trong ESP 45

2.4.3 Quản lý và trao đổi khoá 46

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS 53

3.1 Giới thiệu về công nghệ MPLS 53

3.2 Chuẩn hoá MPLS 54

3.3 Các thành phần, khái niệm trong MPLS 55

3.4 Các chế độ hoạt động của MPLS 56

2

3.4.1 Chế độ hoạt động khung 56

3.4.2 Chế độ hoạt động tế bào 60

3.5 Các giao thức sử dụng trong mạng MPLS 65

3.5.1 Giao thức phân phối nhãn LDP 65

3.5.1.1 Các tính chất cơ bản của LDP 66

3.5.1.2 Phát hiện LSR lân cận 67

3.5.1.3 Các bản tin LDP 68

3.5.2 Giao thức định tuyến cưỡng bức CR-LDP 69

3.5.2.1 Khái niệm định tuyến cưỡng bức 69

3.5.2.2 Các phần tử định tuyến cưỡng bức 72

3.5.3 Giao thức báo hiệu RSVP 77

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MẠNG RIÊNG ẢO VPN TRÊN MẠNG MPLS 81

4.1 Mô hình chồng lấn 81

4.2 Mô hình ngang hàng 82

4.3 Các bộ định tuyến ảo trong MPLS VPN 83

4.4 Kiến trúc MPLS VPN 84

4.4.1 Gửi chuyển tiếp trong MPLS VPN 86

4.4.2 Nhận biết động bộ định tuyến lân cận trong MPLS VPN 89

4.4.3 DiffSer trong MPLS VPN 91

4.5 Vấn đề bảo mật trong MPLS VPN 91

4.5.1 Bảo mật định tuyến 91

4.5.2 Bảo mật dữ liệu 92

4.5.3 Bảo mật mạng vật lý 92

4.6 Chất lượng dịch vụ trong MPLS VPN 92

4.6.1 Mô hình “ống” hỗ trợ QoS 93

4.6.2 Mô hình “vòi” hỗ trợ QoS 94

4.6.3 Các tham số chất lượng 96

CHƯƠNG 5 TRIỂN KHAI VPN/MPLS THỰC TẾ 98

5.1 So sánh IPSec và MPLS 98

5.1.1 Vai trò của MPLS 99

5.1.2 Vai trò của IPSec 100

5.1.3 Tích hợp VPN IPSec và VPN MPLS 102

5.2 Triển khai ứng dụng VPN tại Ngân hàng Nhà nước Việt Nam 103

5.2.1 Giải pháp VPN của Nokia Checkpoint 104

5.2.2 Giải pháp VPN của Cisco 109

5.2.3 Giải pháp VPN của Microsoft 110

KẾT LUẬN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

AH Authentication Header Xác thực tiêu đề

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền dẫn không

đồng bộ

BGP Border Gateway Protocol Giao thức biên

CHAP Challenge Handshake Authentication Protocol Giao thức xác thực bắt tay theo yêu cầu

CR-LDP Constraint Routing - LDP Giao thức định tuyến cưỡng bức CSPF Constraint base Shortest Path First Định tuyến cưỡng bức chọn đường ngắn nhất DES Data Encryption Standard Chuẩn mã hoá dữ liệu

DLCI Data Link Connection Identifier Nhận dạng kết nối liên kết dữ liệu trong Frame Relay

ESP Encapsulating Security Payload Phương thức đóng gói bảo mật tải tin FEC Forwarding equivalence class Nhóm chuyển tiếp tương đương FIB Forward Information Base Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp

IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức chuyên trách về kỹ thuật Internet

IGP Interior Gateway Protocol Giao thức định tuyến, giao thức thông dụng nhất là RIP và OSPF IKE Internet Key Exchange Phương thức trao đổi khoá Internet IPSec Internet Protocol Security Giao thức IP bảo mật

ISO International Organization for Standardization Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hoá ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ

L2TP Layer 2 Tunnel Protocol Giao thức đường hầm lớp 2

LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn

LER Label Edge Router Router chuyển mạch nhãn biên

4

LFIB Label Forwarding Information Base Cơ sở dữ liệu nhãn chuyển tiếp LIB Label Information Base Cơ sở dữ liệu nhãn

LSP Label Switched Path Đường chuyển mạch nhãn

LSR Label Switching Router Router chuyển mạch nhãn

MD5 Message-Digest Algorithm Thuật toán mã hoá MD5

MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPPE Microsoft Point to Point Encryption Phương thức mật mã hoá điểm điểm của Microsoft NAS Network Access Server Máy phục vụ truy cập mạng

NAT Network Address Traslation Chuyển đổi địa chỉ mạng

OSPF Open Shortest Path First Giao thức tìm đường ngắn nhất PAP Password Authentication Protocol Giao thức xác thực mật khẩu

PE Provider Edge Router Bộ định tuyến biên nhà cung cấp PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm điểm

PNA Private Network Administrator Nhà quản trị mạng riêng

PPTP Point-to-Point Tunneling Protocol Giao thức đường hầm điểm điểm PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại công cộng

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RADIUS Remote Authentication Dial – In

User Serviece

Dịch vụ xác thực người dùng quay số từ xa

RAS Remote Access Server Máy chủ truy cập từ xa

RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến - giao thức định tuyến distance- vector RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành riêng tài nguyên SHA Secure Hash Algorithm Thuật toán băm bảo mật

SPED Service Provider Edge Device Thiết bị biên nhà cung cấp dịch vụ TACACS Terminal Access Controller Access Control System Hệ thống điều khiển truy cập bộ điều khiển truy cập đầu cuối TOS Tunnel Origination Server Máy nguồn đường hầm

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

Hình 1.3 - Mô hình Remote Access VPN, Intranet và Extranet VPN

Hình 1.4 - Mô hình đường hầm Tunnel

Hình 1.5 - Kết nối PPP giữa máy khách và máy phục vụ truy cập mạng

Hình 1.12 - Quá trình chuyển gói tin qua đường hầm L2TP

Hình 1.13 - Kiến trúc của IPSec

Hình 2.1 - Máy chủ xác thực cấp quyền truy cập từ xa

Hình 2.2 - Chữ ký điện tử

Hình 2.3 - Chữ ký RSA

Hình 2.4 - Thuật toán băm

Hình 2.5 - Mã hoá theo chuỗi các khối liên tục (CBC)

Hình 2.6 - Trao đổi khoá Diffie Hellman

Hình 3.1- Các định dạng nhãn

Hình 3.2 - Mạng MPLS trong chế độ hoạt động khung

Hình 3.3 - Cấu trúc của LSR biên

Hình 3.4 - Nhãn MPLS trong khung lớp 2

Hình 3.5 - Phân bổ nhãn trong mạng ATM-MPLS

Hình 3.6 - Trao đổi thông tin giữa các LSR cận kề

Hình 3.7 - Cơ chế thiết lập kênh ảo điều khiển MPLS

Hình 3.8 - Ví dụ về CSPF

Hình 3.9 - Các bản tin PATH, RESV

Hình 3.10 - Nhãn phân phối trong bảng tin RESV

Hình 5.3 - Thiết lập IPSec VPN giữa 2 Site với giải pháp Nokia Checkpoint

Hình 5.4 - Mô hình triển khai VPN của giải pháp Cisco

Hình 5.5 - Thiết lập VPN của giải pháp Microsoft

Hình 5.6 - Một số đặc tính của VPN PPTP được tạo ra

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN WIMAX

1.1 GIỚI THIỆU

1.1.1 Sự ra đời của WiMAX [17]

Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập internet phổ biến hiện nay như quay số qua modem thoại (Dial Up), ADSL, các đường thuê kênh riêng (leased-line), hay sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng không dây WiFi Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên tới 8Mbps nhưng phải

có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt lại rất khó khăn khi triển khai ở các khu vực có địa hình phức tạp Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps quá thấp so với nhu cầu người sử dụng Ngay

cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép truy cập với tốc độ đến 171,2Kbps hoặc EDGE cũng chỉ tới 300-400Kbps Như vậy rõ ràng chưa thể đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ mạng internet ngày càng tăng Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập internet cũng không vượt quá 2Mbps Còn với mạng WiFi thì chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn

Với thực tế như vậy, WiMAX (Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập

vi ba) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hơp

có thể thay thế cho ADSL và WiFi Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mbit/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km Mô hình phủ sóng của mạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạch đó, WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối với trạm anten WiMAX gần nhất

Diễn đàn WiMAX là một tổ chức của các nhà khai thác và các công ty thiết

bị và cấu kiện truyền thông hàng đầu Mục tiêu của Diễn đàn WiMAX là thúc đẩy

và chứng nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI Diễn đàn

WiMAX được thành lập để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng BWA, vì riêng một chuẩn thì không đủ để khuyến khích việc chấp nhận rộng rãi một công nghệ Theo mục tiêu này, Diễn đàn đã hợp tác chặt chẽ với các nhà cung cấp và các cơ quan quản lý để đảm bảo các hệ thống được Diễn đàn phê chuẩn đáp ứng các yêu cầu của khách hàng và của các chính phủ

Hình 1.1 - Ứng dụng WiMAX

1.1.2 Cơ chế hoạt động chung của WiMAX [18]

Thực tế WiMAX hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng Một hệ thống WiMAX gồm 2 phần:

- Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2

- Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các thẻ mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên bảng mạch bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng

Các trạm phát BTS được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc

độ cao dành riêng hoặc có thể được nối với một BTS khác như trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đến những vùng rất xa

Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ

truyền có thể đạt tối đa Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz vì

ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn Đối với các trường hợp nhiễu xạ, WiMAX sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích

Hình 1.2 – Mô hình truyền thông của WiMAX

1.1.3 Các đặc điểm chung của WiMAX [19]

WiMAX đã được tiêu chuẩn hóa ở IEEE 802.16 Hệ thống này là hệ thống

đa truy cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau:

- Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km

- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s

- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền che khuất NLOS

- Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã được và đang được tiêu chuẩn hóa

- Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM để truyền OFDM 256 được Diễn đàn WiMAX lựa chọn cho các mô tả đầu tiên dựa trên 802.16-2004 WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích hợp từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mã chập tỷ

lệ mã từ 1/2 đến 7/8

- Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5 MHz đến 20 MHz được chia thành nhiều băng con 1,75 MHz Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA OFDMA trong WiMAX sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang

- Cho phép sử dụng cả 2 công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn của đường lên và đường xuống

- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp: Lớp hội

tụ (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp MAC và các lớp trên, lớp điều khiển truy nhập thiết bị (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission) và lớp vật lý (Physical) Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở Hình 1.3

Hình 1.3 – Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI

1.2 SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI [8]

1.2.1 Các chuẩn 802.11 và sự hạn chế của WiFi

Ngày nay chúng ta có 3 loại mạng LAN không dây chính: 802.11b, 802.11g

và 802.11a Hoạt động ở tốc độ 11Mbit/s, 802.11g là chuẩn mà chúng ta biết rõ nhất với cái tên WiFi 802.11g và 802.11a ra đời sau 802.11g sử dụng cùng một dải phổ như 802.11b và tương thích ngược với nó, đã trở thành công nghệ LAN không dây thông dụng như hiện nay Còn IEEE 802.11a thường được xem là anh

em họ “đuối” hơn của 802.11g, hoạt động hoàn toàn tương tự (kể cả việc có một chế độ “Turbo” 108Mbit/s nhưng sử dụng một dải phổ khác)

Sự kém hiệu quả của một cách ghê gớm của 802.11a/b/g là kết quả của một loạt nhân tố: sự chật chội nghiêm trọng và nhiễu trong dải 2,4GHz; sự xử lý kém cỏi của các tín hiệu trả về; các cơ chế tranh chấp tương tự Ethernet; nhu cầu mã hóa cao để đảm bảo an ninh Tất cả những nhân tố này sẽ dẫn tới một dịch vụ vốn không giống như đã được quảng cáo

Giải pháp cho vấn đề hiệu quả kém này là đề xuất 802.11n Chưa biết là khi nào thì một chuẩn phải ra đời (một thời điểm nào đó trong năm 2006 là thời hạn chính thức) nhưng một vài nhóm cạnh tranh phải thỏa thuận với nhau trước khi vấn đề cuối cùng cũng được giải quyết

1.2.2 So sánh WiFi và WiMAX

WiMAX khác biệt so với chuẩn 802.11 - chuẩn không dây thường được biết tới với tên WiFi

Tốc độ truyền tải: Như đã nói đến, WiMAX hổ trợ tốc độ truyền tải tới

70Mbit/s (tốc độ phụ thuộc vào các kiểu ăngten sử dụng) Trong khi đó, WiFi5

“chỉ” hổ trợ tốc độ 54Mbit/s trong phạm vi truyền tải khá hẹp WiFi hổ trợ tốc độ truyền tải thấp hơn, chỉ 11Mbit/s

Băng tần: WiMAX hoạt động trên giải băng tần phụ thuộc vào hoàn cảnh

WiFi hoạt động trên giải băng tần 2,4GHz trong khi WiFi5 hoạt động ở hai giải băng tần 2,4GHz và 5,8GHz

Phạm vi truyền tải: Nếu không gặp phải nhiều vật cản, WiMAX có thể

truyền tải dữ liệu trong bán kính khoảng 50km Trong môi trường có nhiều vật cản, phạm vi này rút ngắn xuống từ 5-8km Trên lý thuyết, WiFi có thể hoạt động trong phạm vi từ 90m-300m WiFi là lựa chọn thích hợp trong các gia đình và các điểm truy cập phạm vi nhỏ

Với phạm vi rộng lớn của WiMAX, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ có thể phủ sóng toàn bộ các khu vực đô thị với chỉ một vài tháp Mặc dù hiện nay chưa diễn

ra nhưng việc WiMAX sẽ có ứng dụng doanh nghiệp, thay thế WiFi trong các doanh nghiệp là rất khả thi Phạm vi tăng thêm của WiMAX sẽ làm cho việc toàn

bộ một tòa nhà hay một khu trường có thể được phủ sóng bởi chỉ một điểm truy nhập đơn được quản lý trung tâm là hoàn toàn có thể

Tiêu chuẩn 802.16a là công nghệ không dây mạng đô thị MAN cung cấp khả năng thay thế các công nghệ truyền thống sử dụng cáp, DSL và T1/E1 mà không cần sử dụng cáp Nó cũng tương thích với việc kết nối các điểm truy cập 802.11 tới mạng Internet

WiMAX sẽ nhanh chóng được hoàn hiện trong thời gian tới với khả năng tương thích và khả năng đáp ứng bằng các thiết bị của các hãng khác nhau Với ưu thế của mình WiMAX đang là lĩnh vực được rất nhiều công ty trên thế gới để ý, nghiên cứu và phát triển

Sự phát triển của các chuẩn IEEE 802.16 bắt đầu với 802.16a sử dụng dải tần cấp phép 2-11 GHz Sau đó là các phiên bản 802.16b tăng dải phổ lên tới 5 và

6 GHz, hỗ trợ QoS; 802.16c giới thiệu dải tần 10-66 GHz; 802.16d để xuất các cải tiến cho 802.16a; 802.16e hỗ trợ cho truy nhập di động tốc độ cao

Trên thực tế, WiMAX đã được khởi động kể từ tháng 4-2001 dựa trên tiêu chuẩn 802.16 bằng việc kết hợp chặt chẽ với Wi-Fi 802.11 WiMAX dựa trên các tiêu chuẩn 802.16a/d và ETSI HiperMAN

Hình 1.4– IEEE802.16 và ETSI-HiperMAN

Khi chuẩn 802.11 áp dụng cho mạng LAN thì chính 802.16 là để áp dụng cho mạng đô thị (MAN) Một ví dụ, mạng MAN với 802.16 kết nối các toàn nhà, khu vực Bên trong tòa nhà đó sẽ là một mạng LAN không dây hoạt động theo chuẩn 802.11 (WiFi), xem hình 1.5

Vào đầu, vào tháng 4/2002, IEEE quy định 802.16 cho dải tần 10-66GHz Đến tháng 1/2003, IEEE chính thức xác nhận chuẩn 802.16a, hoạt động trong vùng 2-11GHz Đây là chuẩn mở rộng của 802.16 Với khoảng tần 11 GHz, sẽ cho phép truyền dẫn trong vùng không nhìn thẳng (NLOS), thích hợp khi triển khai trong đô thị

Hình 1.5– Các chuẩn kết nối không dây

Một trong những mục tiêu chính của Diễn đàn WiMAX là tạo ra một chuẩn tương thích từ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI Điều này sẽ thực hiện được nhờ việc hình thành các mô tả hệ thống Dựa trên những gì

mà Diễn đàn WiMAX xem xét về các điều khoản của nhà cung cấp dịch vụ và các

kế hoạch thiết bị của các nhà cung cấp, Diễn đàn WiMAX đã quyết định tập trung trước tiên vào các mô tả cho phương thức PHY OFDM 256 của chuẩn 802.16 năm

2004, được IEEE thông qua vào tháng 6/2004 Lớp vật lý (PHY) sẽ được kết hợp với một bộ điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) độc lập đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả những triển khai WiMAX

Tuân thủ theo chuẩn 802.16 không có nghĩa là thiết bị được Diễn đàn WiMAX chứng nhận hoặc có thể tương thích với các thiết bị của các nhà cung cấp khác Tuy nhiên nếu một thiết bị tuân thủ thiết kế được Diễn đàn WiMAX chứng nhận thì vừa tuân thủ chuẩn 802.16 và tương thích với cả thiết bị của các nhà khai cấp khác

Cấu hình chung của 802.16a gồm một trạm gốc đặt trên một tòa nhà Thiết

bị này cho phép kết nối điểm-đa điểm với các thuê bao Phạm vi bao phủ của 802.16a lên tới 45km với bán kính cell tiêu chuẩn là 6-9km Bên trong cell, hiệu suất truyền NLOS và khả năng xuyên vật cản là tối ưu 802.16a hoàn toàn tương thích khi giao tiếp với 802.11 Việc kết hợp với 802.16 cho phép lắp đặt các điểm truy cập tại bất cứ đâu mà không gặp trở ngại so với khi thi công mạng cáp Với tốc độ đạt 75Mbps, mỗi trạm gốc 802.16a cung cấp băng thông đủ cho 60 tác vụ trên kết nối T1 cho doanh nghiệp hoặc hàng trăm kết nối tốc độ cao DSL cho các gia đình, khi dùng băng thông 20MHz Để đạt hiệu quả kinh doanh cao, các nhà cung cấp dịch vụ và điều hành mạng phải cân đối để đảm bảo phục vụ được cả những doanh nghiệp cũng như các hộ gia đình Việc triển khai 802.16 nhằm thỏa mãn yêu cầu này 802.16 hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu bảo mật cũng như yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS để truyền tải các ứng dụng voice và video Dịch vụ voice của 802.16 tương thích các công nghệ TDM và VoIP

Tiêu chuẩn IEEE 802.16e là kế hoạch tiếp theo sau khi cải tiến các tiêu chuẩn IEEE 802.16 trước đó Mục đích của 802.16e là khắc phục hạn chế của tiêu chuẩn hiện tại không đáp ứng được các dịch vụ, các điểm truy nhập di động IEEE 802.16e hoàn thiện như thế hệ 3G được mong đợi hoặc các công nghệ di động

Trước hết, chuẩn 802.16 vốn qui định rằng WiMAX hoạt động trong phạm vi từ

10 đến 66GHz 802.16 được theo sau bởi 802.11a vốn mở rộng dải phổ tới phạm

vi từ 2 tới 11GHz là giải mang tính thực tế hơn vì đây là phạm vi mà hầu hết các nhà cung cấp đã có phổ Nó có thể hoạt động trong các giải chưa được cấp phép nhưng có thể gặp phải nhiễu nghiêm trọng trong những giải này Tuy nhiên, chuẩn thu hút sự chú ý nhiều nhất của các nhà cung cấp dịch vụ là chuẩn 802.16e vẫn chưa được thông qua (ít nhất cho đếm thời điểm này) 802.16e tích hợp các tính năng di động, cung cấp các dịch vụ tương đương với các dịch vụ băng rộng di động như iBurst/IntelliCell và 3G

1.4 CẤU TRÚC PMP CỦA WIMAX

WiMAX sử dụng cấu trúc PMP (một điểm tới đa điểm), có nghĩa là tín hiệu mạng xuất phát từ một điểm được truyền tải tới nhiều điểm (người sử dụng) khác cùng lúc PMP hoạt động tương tự mạng điện thoại di động khi một trạm có thể điều phối các tín hiệu đến và đi xuất phát từ nhiều người sử dụng

Lớp vật lý của WiMAX cho phép tồn tại độc lập hai khả năng liên kết Trong khu vực không có vật cản, băng tần hổ trợ tốc độ truyền tải lớn được sử dụng (10GHz – 66GHz) Trong khu vực có nhiều vật cản, WiMAX sử dụng dải băng tần từ 2GHZ tới 11GHz (hổ trợ tốc độ truyền tải thấp) Quá trình chuyển đổi tần số được WiMAX tiến hành hoàn toàn tự động

Cấu trúc PMP đóng vai trò quan trọng trong “ viễn cảnh tươi sáng của truyền thông không dây”- theo nhận định của các chuyên gia Theo đó thay vì phải tìm kiếm các điểm truy nhập WiFi, người sử dụng máy tính xách tay hoặc các thiết

bị di động có thể kết nối trực tiếp thông qua WiMAX Nói cách khác, WiMAX cho phép tạo điểm truy nhập có tầm bao phủ trong toàn thành phố

Tương tự như điện thoại di động, kết nối WiMAX cũng sẽ ổn định ngay cả khi người dùng (hoặc thiết bị) di động Dự kiến, WiMAX sẽ phổ biến trong những năm cuối của thập kỷ này Intel, một trong những công ty tiên phong về WiMAX,

đã lên kế hoạch tích hợp công nghệ này trực tiếp trên các chip Centrino dành cho máy tính xách tay

Hiện tại, việc triển khai WiMAX vẫn đang diễn ra ở các thành phố lớn Seatle (Mỹ) là một ví dụ điển hình Do điều kiện địa lý, việc triển khai kết nối Internet băng rộng thông qua các kênh thuê bao kỹ thuật số (DSL) hoặc cáp là một giải pháp tốn kém, ít khả thi Trong bối cảnh đó, Seatle đã mạnh dạn triển khai WiMAX Dự kiến vào cuối thập kỹ này, kết nối băng rộng không dây sẽ hiện diện

ở hầu hết các khu vực trên nước Mỹ

1.5 LỢI ÍCH CỦA CÔNG NGHỆ 802.16

 Bảo vệ về giá thành và đầu tư:

Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau mà thiết bị đó đã được cấp chứng nhận WiMAX Certified™

 Tầm hoạt động xa hơn (Tới 50 km)

Hiệu suất phổ Bits/second/Hz cao hơn ở khoảng cách xa hơn Dễ dàng thêm vào một giải quạt mới tăng dung lượng kênh trên vùng phủ sóng một cách linh động, cho phép các nhà điều hành ổn định mạng khi số lượng khách hàng tăng đột biến

Độ rộng kênh linh hoạt dựa trên việc định vị dải phổ cho cả dải phổ có cấp phép

và dải phổ không giấy phép

 Độ bao phủ: Các kĩ thuật hiện đại (tạo lưới, tạo chùm, MIMO) làm cho khả

năng NLOS càng hoàn hảo hơn Giám sát hệ thống tăng lên cho phép qua trình thâm nhập tốt hơn ở khoảng cách xa

 Chất lượng phục vụ: TDMA động (Grant/Request) MAC hỗ trợ cảm nhận các

dịch vụ tiềm tàng mới như voice và video Nhiều mức dịch vụ khác nhau cho phép định vị băng thông theo yêu cầu của dịch vụ: Ví dụ T1/E1 cho thuê; Hiệu suất tốt nhất cho khu dân cư

 Cho phép triển khai dịch vụ kết cuối thuê bao băng rộng không dây trong khi vẫn hoàn toàn tương thích với công nghệ Wi-Fi 802.11 Các nhà cung cấp dịch vụ

có thể sử dụng thiết bị 802.16 để kết nối tin cậy các luồng tốc độ T1/E1 hoặc cao hơn tới điểm truy nhập Wi- Fi 802.11 Hiện nay, cần nhiều thời gian để nhà cung cấp dịch vụ cấp một đường truyền T1/E1 cho khách hàng Với công nghệ không

dây băng thông rộng, nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp dịch vụ với chất lượng tương tự hoặc tốt hơn chỉ với vài ngày và chi phí lại rẻ hơn Trong cùng điều kiện, một nhà cung cấp dịch vụ có thể đáp ứng cung cấp băng thông theo yêu cầu dịch

vụ cho các sự kiện chẳng hạn như: hội chợ, triển lãm, hoặc cho các khách hàng không cố định vị trí chẳng hạn công trường đều cần kết nối không thường xuyên

1.6 MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH [5]

Phủ sóng trong phạm vi rộng, tốc độ truyền tin lớn, hổ trợ đồng thời nhiều thuê bao và cung cấp các dịch vụ như: VoIP, Video mà ngay cả ADSL hiện tại cũng chưa đáp ứng được những đặc tính ưu việt cơ bản của WiMAX Các đường ADSL ở những khu vực mà trước đây đường dây chưa tới được thì nay đã có thể truy nhập được Internet Các công ty với nhiều chi nhánh trong thành phố có thể không cần lắp đặt mạng LAN của riêng mình mà chỉ cần đặt một trạm phát BTS phủ sóng trong cả khu vực hoặc đăng ký thuê bao hàng tháng với công ty cung cấp dịch vụ Để truy nhập tới mạng, mỗi thuê bao được cung cấp một mã số riêng và được hạn chế bởi quyền truy nhập theo tháng hay theo khối lượng thông tin mà bạn nhận được từ mạng

Bên cạnh đó hệ thống WiMAX sẽ giúp cho các nhà khai thác di động không còn phải phụ thuộc vào các đường truyền phải đi thuê của các nhà khai thác mạng hữu tuyến, cũng là đối thủ cạnh tranh của họ Hầu hết hiện nay đường truyền dẫn giữa BSC và MSC hay giữa các MSC chủ yếu được thực hiện bằng các đường truyền dẫn cáp quang hoặc các tuyến viba điểm-điểm Phương pháp thay thế này

có thể giúp các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động tăng dung lượng để triển khai các dịch vụ mới với phạm vi phủ sóng rộng mà không làm ảnh hưởng đến mạng hiện tại Ngoài ra, WiMAX với khả năng phủ sóng rộng, khắp mọi ngõ ngách của thành thị cũng như nông thôn sẽ là một công cụ hổ trợ đắc lực trong các lực lượng công an, lực lượng cứu hỏa hay các tổ chức cứu hộ khác có thể duy trì thông tin lien lạc trong nhiều điều kiện thời tiết, địa hình khác nhau

Hiện tại có nhiều thành phố trên thế giới ở Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc… đã có kế hoạch triển khai WiMAX Ngay cả Microsoft cũng quan tâm và

coi trọng WiMAX như là một tiêu chuẩn và sẽ tích hợp trong các phân mềm của mình vào mạng Dự đoán các sản phẩm tích hợp WiMAX với máy tính cũng sẽ được cho ra mắt thị trường vào cuối 2006

- Mạng trục tế bào (Cellular Backhaul)

Băng thông của 802.16 là sự lựa chọn hoàn hảo cho mạng trục triển khai cho mạng doanh nghiệp như thiết lập các điểm truy cập hotspot cũng như các ứng dụng mạng trục điểm-điểm

- Mạng băng thông rộng theo yêu cầu

Với đặc tính kỹ thuật của băng thông rộng và triển khai dễ dàng, 802.16 kết hợp với 802.11 cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ kết nối vô cùng linh hoạt về tốc độ và lắp đặt thiết bị Khả năng đáp ứng theo yêu cầu cho phép cung cấp kết nối tốc độ cao tức thời ngay khi có yêu cầu

- Cung cấp dịch vụ cho các thuê bao băng rộng cố định

Việc triển khai mạng cáp gặp rất nhiều khó khăn và chi phí lớn khi thực hiện trong đô thị Ví dụ mạng DSL truyền thống chỉ có khả năng cấp tới thuê bao cách Trung tâm tối đa 4-5km 802.16 hoàn toàn khắc phục điều đó

- Dịch vụ kết nối không dây hoàn hảo

Hiện nay, rất nhiều điểm truy cập 802.11 đã được lắp đặt Người sử dụng luôn muốn họ duy trì kết nối ngay cả khi ngoài vùng hoạt động của các điểm truy cập này Phiên bản 802.16e cung cấp khả năng kết nối di động cho phép người dùng truy nhập mạng ngay cả khi ở bên ngoài khu vực làm việc

Hình 1.6 – Mô hình triển khai WiMAX

Hình 1.7 – 802.16 cho phép truyền thông điểm đa điểm NLOS

và truyền mạng trục LOS

CHƯƠNG 2 – KỸ THUẬT OFDM 2.1 GIỚI THIỆU

Một trong những yêu cầu chính trong hệ thống vô tuyến băng rộng thế hệ thứ 2 là khả năng hoạt động trong các điều kiện tầm nhìn thẳng bị che chắn (OLOS) và điều kiện không có tầm nhìn thẳng (NLOS) Hoạt động trong các điều kiện như vậy gây ra nhiều khó khăn và hạn chế đối với các nhà khai thác viễn thông khi cung cấp các dịch vụ cho các khách hàng tiềm năng

Do các vấn đề về nhiễu về đa đường, một số công nghệ trước đây đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứng dụng NLOS nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao Sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao – OFDM là một bước đột phá trong thị trường truy cập vô tuyến băng rộng

OFDM là nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ASDL, các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT) Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tầm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng

dự liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này trực giao với nhau, thực hiện bằng cách chọn chế độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp

lý

2.2 ĐA ĐƯỜNG VÀ HIỆU SUẤT PHỔ TRONG OFDM [6]

Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các điều kiện môi trường kết nối đa dạng từ Có tầm nhìn thẳng LOS đến tầm nhìn thẳng bị che chắn OLOS và không có tầm nhìn thẳng NLOS Đây chính là ưu điểm của OFDM

Trong môi trường không có tầm nhìn thẳng, tín hiệu đa đường là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữa tram phát và trạm thu Các tín hiệu phản xạ thường đến trạm thu không cùng một thời điểm phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và đều đến sau so với tín hiệu gốc ( dẫn thẳng)

Hình 2.1 – Đa đường trong các điều kiện kết nối NLOS

Do không đến cùng một thời điểm, các tín hiệu phản xạ gây ra nhiễu Tác động của hiện tượng đa đường trên hệ thống kết nối vô tuyến là giao thoa ký hiệu ISI Các tiếng vọng từ một ký hiệu nhất định (gọi là vọng symbol N) sẽ ảnh hưởng đến ký hiệu tiếp theo (gọi là symbol N+ 1) Công nghệ OFDM đã khắc phục được vấn đề ISI bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ GI tại đoạn bắt đầu của ký hiệu Khoảng thời gian bảo vệ chính là phần ký hiệu bị ảnh hưởng bởi ISI còn khoảng

dữ liệu tiếp theo khoảng bảo vệ chính là khoảng tải tin

Hình 2.2 - Cấu trúc ký hiệu OFDM, ISI và khoảng bảo vệ

Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền số liệu tốc độ cao và tăng hiệu quả dải tần Điều này đạt được là do sự truyền dẫn song song của nhiều sóng mang con qua không trung, mỗi sóng mang con có khả năng mang số liệu điều biến Các sóng mang con được đặt vào các tần số trực giao

Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sóng mang con nhất định sẽ rơi đúng vào các điểm bằng 0 (null) của các sóng mang con khác Sử dụng các tần

số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sóng mang con khác nhau khi sắp xếp vị trí các sóng mang con với mật độ lớn trong miền tần số, do đó

sẽ đạt được hiệu suất phổ cao

Hình 2.3 - Đồ thị ký hiệu OFDM

2.3 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA OFDM [11]

Sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang (ICI) và giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) do sử dụng CP

Nếu sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích hợp thì sẽ có thể khắc phục được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần

Trên thực tế, quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM được đảm bảo nhờ sử dụng phép biến đổi FFT Nếu sử dụng kết hợp với phép điều chế vi sai thì không cần phải thực hiện quá trình ước lượng kênh

Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý Hình 2.4 mô tả nguyên lý của quá trình tạo một ký hiệu OFDM Tất

cả các thao tác trong miền được đóng khung đều có thể được thay thế bằng phép biến đổi IDFT

Hình 2.4- Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM

Các sóng mang n(t) là các sóng hình sin có thể được biểu diễn dưới dạng luỹ thừa như sau :

n(t) =

kt N

W e T



2 1

t  [0,T]

0 t  [0,T]

(2-1)

Tần số của các sóng mang hơn kém nhau một khoảng W/N Hz, trong đó W

là độ rộng dải tần Mỗi sóng mang được nhân với một giá trị phức xn,m lấy từ dữ

liệu đầu vào; chỉ số dưới n tương ứng với chỉ số của sóng mang, và m là chỉ số của

toàn bộ ký hiệu OFDM (còn gọi là symbol OFDM) Mỗi tín hiệu sm(t) tương ứng

với một điểm trong không gian Euclid N-chiều gọi là không gian tín hiệu, mỗi

điểm được biểu diễn bởi một bộ các giá trị (x0,m, x1,m, , xN-1,m) Một tập hợp M điểm trong không gian N-chiều này được gọi là chòm sao Các điểm nằm trong chòm sao này có thể là đầu ra sau khi thực hiện phép điều chế M-trị bất kỳ Trong trường hợp thực hiện truyền tín hiệu liên tục, m là một số nguyên m ≈(-∞,∞ ) Các

kết quả có được sau khi thực hiện phép nhân sẽ được cộng lại và tín hiệu cuối cùng sẽ là dạng sóng (theo thời gian) được truyền đi qua kênh

0(t)

s m (t) = 

1 0

) ( ,

N n

mT t n m n

Hình 2.5- Dạng phổ của một ký hiệu OFDM

Như vậy, chuỗi vô hạn các ký hiệu OFDM có thể được biểu diễn

ký hiệu được truyền đi với tốc độ thấp hơn ROFDM = Rs/N Chú ý rằng tốc độ ký

hiệu của mỗi kênh con là tốc độ truyền các ký hiệu OFDM

2.4 TÍNH TRỰC GIAO VÀ DẢI BẢO VỆ [2]

Ðiểm mấu chốt nhằm có được hiệu quả sử dụng dải tần cao là tính trực giao của các sóng mang Trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, các sóng mang được phân tách bởi một dải bảo vệ nhằm cho phép thu và giải điều chế các sóng mang đó bằng các thao tác lọc thông thường Tuy nhiên, các dải bảo vệ này đã làm giảm hiệu quả sử dụng dải tần Nếu các sóng mang là trực giao với nhau, thì chúng có thể được sắp xếp sao cho các dải băng chồng lên nhau sao cho vẫn có thể thu tốt mà không có giao thoa với các sóng mang lân cận (ICI) Tuy nhiên, các dải bảo vệ là cần thiết để duy trì tính trực giao giữa các sóng mang trong kỹ thuật OFDM, nhưng cách hoạt động của các dải bảo vệ này khác hẳn với

kỹ thuật FDM thông thường

Máy thu OFDM có thể được coi là gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và tích phân trên một

chu kỳ ký hiệu nhằm khôi phục lại dữ liệu ban đầu Sơ đồ nguyên lý của quá trình giải điều chế một ký hiệu trong kỹ thuật OFDM được mô tả trong hình 2.6 Chúng

ta có thể dễ dàng nhận thấy, nếu các hàm n(t)với n = 0,1, ,N-1 là trực giao với nhau từng đôi một thì mới khôi phục được bộ (x0,m, x1,m, , xN-1,m) ban đầu

Hình 2.6 - Nguyên lý của quá trình giải điều chế OFDM

Về mặt toán học, một bộ các hàm được coi là trực giao nếu:

b

a q

p* (t) dt

 K p=q

0 p≠q

(2-4)

trong đó, * là kí hiệu của liên hợp phức Có nhiều bộ các hàm trực giao,

nổi tiếng nhất là các hàm luỹ thừa phức tạo thành cơ sở của phép biển đổi Fourier :

t k

jw e t

Nếu tất cả các sóng mang không phải là sóng mang mong muốn bị trộn xuống các tần số bằng một số nguyên lần 1/ , trong đó  là chu kỳ ký hiệu, thì

0(t)

T( )

T( )

chúng sẽ có tích phân bằng 0 trên một chu kỳ ký hiệu Như vậy, các sóng mang sẽ trực giao với nhau, nếu độ dãn cách giữa các sóng mang là bội số của 1/

Trở ngại duy nhất trong việc sử dụng DFT trong kỹ thuật OFDM là bản chất không tuần hoàn của tín hiệu trong miền thời gian Ðiều này có thể được giải quyết bằng cách thêm một thời khoảng bảo vệ Tg, đoạn này chính là bản sao của

ký hiệu tích cực trong Tg giây trước (như trên hình 2.7) Ðoạn thêm vào này thường được gọi là tiền tố lặp CP bởi vì nó làm cho ký hiệu OFDM như là tuần hoàn đối với máy thu Tín hiệu tới máy thu thu sau đó sẽ được xấp xỉ bằng phép chập tuần hoàn giữa tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh Điều này cũng làm cho tránh được nhiễu ICI

Hình 2.7 - Thêm CP vào ký hiệu OFDM

Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần, tuy nhiên, nó phải dài hơn đáp ứng xung của kênh nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang con và loại bỏ được các loại nhiễu ICI và ISI Những lợi ích đạt được nhờ chèn thêm dải bảo vệ này thường có giá trị hơn những suy giảm trong hiệu suất sử dụng dải tần và trong tỷ số SNR Ðể minh hoạ cho điều này, chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi tăng chiều dài Tg của CP, trong khi đó thì năng lượng tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên Năng lượng phát trên một sóng mang con là :

g

T dt

t)2(

Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều Thông thường, chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR sẽ chủ yếu là do yêu cầu loại bỏ giao thoa ICI và ISI (nhỏ hơn 1dB với Tg/T < 0,2)

Nguyên lý thu phát tín hiệu OFDM nói trên có thể được thực thi đơn giản nhờ phép biến đổi FFT xem xét sau đây

2.5 PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER RỜI RẠC

Các phương thức để phân tách các sóng mang trong kỹ thuật OFDM đã được tìm hiểu và đánh giá trong suốt quá trình phát triển của nó Hai phương thức ban đầu sử dụng các bộ lọc để phân tách các dải, và đã gặp phải nhiều khó khăn trong việc thực thi các bộ lọc có dải sườn dốc Phương thức thứ ba được Weinstein

và Ebert [14] giới thiệu, là phương thức sử dụng các biện pháp xử lý ở băng gốc, khi đó, cả máy phát và máy thu đều có thể được thực thi bằng cách sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể được viết dưới dạng:

s n,m (t) = x n,m e j2 f n t (2-8)

trong đó, xn,m là modul của số phức tương ứng với sóng mang con thứ n

trong ký hiệu OFDM thứ m và khác 0 trên chu kỳ thời gian (m-1) < t < m ,

trong đó  là chu kỳ ký hiệu Ðiều này cho phép chúng ta có thể viết lại phương trình (2-2) dưới dạng trung bình của các sóng mang phức liên tục theo thời gian, với m cho trước :

Ta chọn N mẫu trên một chu kỳ ký hiệu, sử dụng mối quan hệ  = NT So

sánh phương trình (2-10) với dạng tổng quát của phép biến đổi IDFT :

chúng ta thấy rằng, hàm phức xn,m theo biến n chính là định nghĩa của tín

hiệu được lấy mẫu biểu diễn trong miền tần số và s(kT) là dạng biểu diễn trong

miền thời gian Do mối quan hệ giữa 2 phép biến đổi DFT và IDFT :

G[n] = G(ej)|

n N

Ðiều kiện này cũng giống hệt với yêu cầu về tính trực giao trong biểu thức

(2-5) Như vậy, để duy trì tính trực giao, tín hiệu OFDM có thể được xác định

bằng cách sử dụng phép biến đổi Fourier

Ðây là một đặc điểm rất quan trọng bởi vì 2 lý do sau Thứ nhất, DFT là

một dạng của phép biến đổi Fourier mà ở đó, tín hiệu được lấy mẫu và nhờ vậy,

chúng trở nên tuần hoàn trong cả miền thời gian và tần số Ðiều này giúp tránh

được các vấn đề về lưu trữ, chồng phổ thường xuất hiện ở các tín hiệu có dải tần

vô hạn hoặc không đổi theo thời gian Phép biến đổi này, cùng với việc chèn thêm

dải bảo vệ nhằm giúp cho mỗi ký hiệu OFDM gần như tuần hoàn, đã giúp thực

hiện phép chập tuần hoàn với hàm truyền đạt của kênh Ưu điểm thứ hai của việc

ứng dụng DFT là phép biến đổi này có thể được thực hiện khá đơn giản và rẻ tiền

Phần ảo

Khối xen

Phần ảo

Khối giải xen

Hình 2.8 - Sơ đồ khối các quá trình điều chế, giải điều chế OFDM sử dụng FFT

Hình 2.8 là sơ đồ khối của một hệ thống OFDM có sử dụng mã sửa sai, phép IFFT được sử dụng để thực hiện các thao tác điều chế như trong hình 2.4 Dữ liệu đầu vào sẽ được ánh xạ thành các bộ N-phần tử bằng cách sử dụng bất cứ phép điều chế M-trị thông thường nào Sau đó, các thành phần thực và ảo sẽ được tách ra và được mã hoá chập riêng biệt (thông thường là mã chập có hệ số tỉ lệ 1/2) Bộ xen rẽ khối có chức năng thực hiện xen rẽ các sóng mang (theo tần số), và khối IFFT sẽ tạo ra dạng sóng ở miền thời gian giống như biểu thức (2-9) Sau khi thêm CP vào ký hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ được phát đi qua kênh fading nhiều đường, đồng thời nó cũng chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng cộng sinh AWGN Tại máy thu, sau khi loại bỏ CP khỏi ký hiệu OFDM, người ta thực hiện cân bằng và biến đổi FFT Tín hiệu miền thời gian thu được sau đó sẽ được giải xen rẽ, giải mã sửa sai theo thuật toán Viterbi và cuối cùng được giải điều chế M-trị để trở thành luồng dữ liệu ban đầu

2.6 CÁC ƢU ĐIỂM CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT OFDM

- Rất hiệu quả trong các môi trường đa đường nên thích hợp với các ứng dụng không dây cố định như truyền hình số mặt đất DVB-T

- Sử dụng dải tần hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

- Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết nhiễu giữa các sóng mang và nhiễu giữa các tín hiệu nhờ sử dụng CP

- Quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM đơn giản nhờ

sử dụng phép biến đổi FFT

Mặc dù còn có những khó khăn như PAR cao và dễ mất đồng bộ, nhưng OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế đặc biệt là trong các hệ thống vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số

53

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN

ĐA GIAO THỨC MPLS 3.1 Giới thiệu về công nghệ MPLS

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông đã và đang tìm một

phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm của IP (như cơ cấu định tuyến)

và của ATM (như thông lượng chuyển mạch) Mô hình IP-over-ATM của IETF coi

IP như một lớp nằm trên lớp ATM và định nghĩa các mạng con IP trên nền mạng

ATM Phương thức tiếp cận xếp chồng này cho phép IP và ATM hoạt động với nhau

mà không cần thay đổi giao thức của chúng Tuy nhiên, cách này không tận dụng

được hết khả năng của ATM Ngoài ra, cách tiếp cận này không thích hợp với mạng

nhiều router và không thật hiệu quả trên một số mặt Diễn đàn ATM - Forum dựa

trên mô hình này, đã phát triển một số giải pháp công nghệ sử dụng các máy chủ để

chuyển đổi địa chỉ nhưng vẫn không tận dụng được khả năng đảm bảo chất lượng

dịch vụ của ATM

Công nghệ MPLS (Multiprotocol label switching) là kết quả phát triển của nhiều

công nghệ chuyển mạch IP (IP switching) sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM

để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP

MPLS tách chức năng của IP router ra làm hai phần riêng biệt: chức năng

chuyển gói tin và chức năng điều khiển Phần chức năng chuyển gói tin, với nhiệm

vụ gửi gói tin giữa các IP router, sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn tương tự như của

ATM Trong MPLS, nhãn là một số có độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp

mạng Kỹ thuật hoán đổi nhãn về bản chất là việc tìm nhãn của một gói tin trong

một bảng các nhãn để xác định tuyến của gói và nhãn mới của nó Việc này đơn

giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin theo kiểu thông thường, và do vậy cải thiện

khả năng của thiết bị Các router sử dụng kỹ thuật này được gọi là LSR (Label

switching router) Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm các giao thức

định tuyến lớp mạng với nhiệm vụ phân phối thông tin giữa các LSR, và thủ tục gán

nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành các bảng định tuyến cho việc chuyển

mạch MPLS có thể hoạt động được với các giao thức định tuyến Internet khác như

OSPF (Open Shortest Path First) và BGP (Border Gateway Protocol) Do MPLS hỗ

trợ việc điều khiển lưu lượng và cho phép thiết lập tuyến cố định, việc đảm bảo chất

lượng dịch vụ của các tuyến là hoàn toàn khả thi Đây là một tính năng vượt trội của

MPLS so với các công nghệ tuyến cổ điển Ngoài ra, MPLS còn có cơ chế định

tuyến lại nhanh (fast rerouting)

MPLS cũng đưa ra sự linh hoạt cao do nó có thể hoạt động trên IP, ATM, và

FR Các thuật toán nhãn sử dụng cung cấp sự linh hoạt cho cho các nhà quản lí mạng,

cho phép các gói được gán nhãn cho các địa chỉ đích xác định hoặc cho luồng dọc theo

tuyến xác định đảm bảo sự cân bằng tải trên mạng

54

MPLS là công nghệ chuyển mạch kết hợp ưu điểm của mạng IP (như cơ cấu định tuyến) và của ATM (như cơ chế hoán đổi nhãn, thông lượng chuyển mạch) để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP Công nghệ MPLS cũng khiến việc quản lý mạng được dễ dàng hơn, cho phép nhà quản trị dễ dàng đo đạc, giám sát và đáp ứng các mức dịch vụ khác nhau

MPLS là một công nghệ chuyển mạch IP định hướng kết nối Với tính chất của cơ cấu định tuyến của mình, MPLS có khả năng nâng cao chất lượng dịch vụ của mạng IP truyền thống Bên cạnh đó, thông lượng của mạng sẽ được cải thiện một cách rõ rệt

3.2 Chuẩn hoá MPLS [4]

MPLS là kết quả của một nhóm làm việc IETF nhằm cung cấp các bản phác thảo về định tuyến, gửi chuyển tiếp và chuyển mạch các luồng lưu lượng qua mạng sử dụng công nghệ MPLS MPLS thực hiện các chức năng sau:

- Xác định cơ chế quản lý các luồng lưu lượng của các phần tử khác nhau, như các luồng lưu lượng giữa các phần cứng, các máy móc, thiết bị khác nhau hoặc thậm chí là các luồng lưu lượng giữa các ứng dụng khác nhau

- Duy trì tính độc lập của các giao thức lớp 2 và lớp 3

- Cung cấp các phương tiện để sắp xếp các địa chỉ IP thành các nhãn có độ dài cố định và đơn giản được các công nghệ gửi chuyển tiếp gói tin và chuyển mạch gói sử dụng

- Giao diện với các giao thức định tuyến có sẵn như RSVP và OSPF

- Hỗ trợ IP, ATM, và các giao thức lớp 2 FR

MPLS chuẩn hoá các công nghệ cơ sở để sử dụng chuyển mạch nhãn (giao thức phân phối nhãn cơ sở LDP) và thực hiện các đường chuyển mạch nhãn trên các loại công nghệ lớp liên kết, như Frame Relay, ATM và các công nghệ LAN (Ethernet, Token Ring, v.v ) Nó bao gồm các thủ tục và các giao thức cho việc phân phối nhãn giữa các bộ định tuyến, xem xét về đóng gói và multicast Hầu hết các tiêu chuẩn MPLS hiện nay đã được ban hành dưới dạng RFC và được tập hợp lại để xây dựng một hệ thống tiêu chuẩn MPLS

Trong MPLS, việc truyền dữ liệu thực hiện theo các đường chuyển mạch nhãn (LSP) Các đường chuyển mạch nhãn là dãy các nhãn tại mỗi nút và tại tất cả các nút dọc theo tuyến từ nguồn tới đích LSP được thiết lập hoặc là trước khi truyền dữ liệu hoặc trong khi tìm luồng dữ liệu Các nhãn được phân phối sử dụng giao thức phân phối nhãn LDP hoặc RSVP hoặc dựa trên các giao thức định tuyến như giao thức BGP

và OSPF Mỗi gói dữ liệu nén và mang các nhãn trong quá trình đi từ nguồn tới đích MPLS hỗ trợ chuyển mạch tốc độ cao vì các nhãn với độ dài cố định được chèn vào vị trí đầu của gói tin hoặc tế bào và có thể được phần cứng sử dụng để chuyển mạch các gói tin một cách nhanh chóng giữa các đường liên kết

55

3.3 Các thành phần, khái niệm trong MPLS [4]

LSR(Label switch Router) - Router hay Switch - thiết bị định tuyến chuyển

mạch nhãn: Là thành phần quan trọng cơ bản của mạng MPLS Thiết bị này thực hiện chức năng chuyển tiếp gói thông tin trong phạm vi mạng MPLS bằng thủ tục phân phối nhãn Có một số loại LSR cơ bản sau: LSR biên, ATM-LSR, ATM-LSR biên

LSR biên: Nằm ở biên của mạng MPLS, LSR này tiếp nhận hay gửi đi các gói

thông tin từ hay đến mạng khác (IP, Frame Relay, ) LSR biên gán hay loại bỏ nhãn cho các gói thông tin đến hoặc đi khỏi mạng MPLS Các LSR này có thể là Router lối vào hay Router lối ra

LSR dựa trên khung: Là LSR chuyển tiếp toàn bộ các khung giữa các giao

diện của nó Router truyền thống là một ví dụ cụ thể của LSR loại này

ATM-LSR: Là các tổng đài ATM có thể thực hiện chức năng như LSR Các

ATM-LSR thực hiện chức năng định tuyến gói IP, gán nhãn trong mảng điều khiển và chuyển tiếp số liệu trên cơ chế chuyển mạch tế bào ATM trong mảng số liệu Như vậy các tổng đài chuyển mạch ATM truyền thống có thể nâng cấp phần mềm để thực hiện chức năng của LSR ATM-LSR biên là LSR dựa trên khung có ít nhất một giao diện LC-ATM

Label - nhãn: Là một thực thể độ dài ngắn và cố định không có cấu trúc bên

trong Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ lớp mạng Nhãn được gán vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho nhóm chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Classes) mà gói tin đó được ấn định

Định dạng của nhãn phụ thuộc vào phương tiện truyền mà gói tin được bọc vỏ

Ví dụ các gói ATM (tế bào) sử dụng giá trị VPI/VCI như nhãn, FR sử dụng DLCI làm nhãn, hay đối với các khung PPP hay Ethernet giá trị nhận dạng giao thức P-Id (hoặc Ethertype) được chèn thêm vào mào đầu khung tương ứng để thông báo khung là MPLS unicast hay multicast Hình vẽ dưới đây minh họa định dạng nhãn trong những trường hợp cụ thể:

h Link layer

header

MPLS SHIM layer headerNetwork Other layers header and data

Định dạng nhãn trong Frame Relay

IP packet

Labelling of the packet ATM Cell

IP header Data Shim headerr IP header Data

Định dạng nhãn trong ATM Hình 3.1 – Các định dạng nhãn

FEC (Forwarding Equivalence Classes) - nhóm chuyển tiếp tương đương, là

khái niệm được dùng để chỉ một nhóm các gói được đối xử như nhau qua mạng MPLS ngay cả khi có sự khác biệt giữa các gói tin này thể hiện trong mào đầu lớp mạng

Ngăn sếp nhãn (Label stack) - Một tập hợp có thứ tự các nhãn gắn theo gói để

truyền tải thông tin về nhiều FEC mà gói nằm trong và về các LSP tương ứng mà gói

sẽ đi qua Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp (một nhãn cho EGP và một nhãn cho IGP) và tổ chức đa LSP trong một trung kế LSP

LSP - Đường chuyển mạch nhãn : Là tuyến tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của

mạng MPLS dùng để chuyển tiếp gói của một FEC nào đó sử dụng cơ chế chuyển đổi nhãn (label-swapping forwarding)

Giao diện ATM điều khiển chuyển mạch nhãn (LC-ATM): Là giao diện

ATM trong tổng đài hoặc trong Router mà giá trị VPI/VCI được gán bằng thủ tục điều khiển MPLS (LDP)

Miền ATM-LSR: Là tập hợp các ATM-LSR kết nối với nhau qua các giao

Chế độ hoạt động này xuất hiện khi sử dụng MPLS trong môi trường các thiết

bị định tuyến thuần nhất định tuyến các gói tin IP điểm- điểm Các gói tin gán nhãn được chuyển tiếp trên cơ sở khung lớp 2

Cơ chế hoạt động của mạng MPLS trong chế độ hoạt động này được mô tả trong hình dưới đây

57

Hỡnh 3.2 - Mạng MPLS trong chế độ hoạt động khung

LSR biên 1 POP

LSR biên 2 POP

IP đích:

192.1.1.3

Gói IP 30

B-ớc 2: kiểm tra lớp 3, gắn nhãn, chuyển gói IP đến LSR lõi 1

Gói IP 28

B-ớc 3: kiểm tra nhãn, chuyển đổi nhãn, chuyển gói IP đến LSR lõi 3

Gói IP 37

B-ớc 4: kiểm tra nhãn, chuyển đổi nhãn, chuyển gói IP đến LSR biên 4

LSR biên 3 POP

LSR biên 4 POP

LSR biên 5 POP

B-ớc 5: kiểm tra nhãn, xoá nhãn, chuyển gói IP

đến router ngoài tiếp theo

IP:

192.1.1.3

58

Cấu trúc của LSR biên trong chế độ hoạt động khung được thể hiện trong hình dưới đây

Hình 3.3 - Cấu trúc của LSR biên

Các hoạt động trong mảng số liệu:

Quá trình chuyển tiếp một gói IP qua mạng MPLS được thực hiện qua một số bước cơ bản sau đây:

 LSR biên lối vào nhận gói IP, phân loại gói vào nhóm chuyển tiếp tương đương FEC và gán nhãn cho gói với ngăn xếp nhãn tương ứng FEC đã xác định Trong trường hợp định tuyến một địa chỉ đích, FEC sẽ tương ứng với mạng con đích

và việc phân loại gói sẽ đơn giản là việc so sánh bảng định tuyến lớp 3 truyền thống

 LSR lõi nhận gói có nhãn và sử dụng bảng chuyển tiếp nhãn để thay đổi nhãn nội vùng trong gói đến với nhãn ngoài vùng tương ứng cùng với vùng FEC (trong trường hợp này là mạng con IP)

 Khi LSR biên lối ra của vùng FEC này nhận được gói có nhãn, nó loại bỏ nhãn

và thực hiện việc chuyển tiếp gói IP theo bảng định tuyến lớp 3 truyền thống

Mảng điều khiển tại nút

Trao đổi thông tin định tuyến với Router khác

Trao đổi gán nhãn với Router khác

Giao thức định tuyến

IP Bảng định tuyến IP

Điều khiển định tuyến IP

Cơ sở dữ liệu nhãn LIB

Mảng số liệu tại nút

Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp (FIB)

Cơ sở dữ liệu nhãn chuyển tiếp (LFIB)

59

Mào đầu nhãn MPLS:

Trong chế độ hoạt động khung, nhãn MPLS được chèn vào giữa mào đầu lớp 2

và nội dung thông tin lớp 3 của khung lớp 2 như thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 3.4 - Nhãn MPLS trong khung lớp 2

Do nhãn MPLS được chèn vào vị trí như vậy nên router gửi thông tin phải có phương thức thông báo cho router nhận rằng gói đang được gửi đi không phải là gói IP thuần mà là gói có nhãn (gói MPLS) Để thực hiện điều này, một số dạng giao thức mới được định nghĩa trên lớp 2 như sau:

 Trong môi trường LAN, các gói có nhãn truyền tải gói lớp 3 unicast hay multicast sử dụng giá trị 8847H và 8848H cho dạng ethernet Các giá trị này được sử dụng trực tiếp trên phương tiện ethernet (bao gồm cả fast ethernet và Gigabit ethernet)

 Trên kênh điểm-điểm kiểu PPP, sử dụng giao thức điều khiển mạng mới được gọi là MPLSCP (giao thức điều khiển MPLS) Các gói MPLS được đánh dấu bởi giá trị 8281H trong trường giao thức PPP

 Các gói MPLS truyền qua chuyển dịch khung DLCI giữa một cặp router được đánh dấu bởi nhận dạng giao thức lớp mạng SNAP của chuyển dịch khung (NLPID), tiếp theo mào đầu SNAP với giá trị 8847H cho dạng ethernet

 Các gói MPLS truyền giữa một cặp router qua kênh ảo ATM Forum được bọc với mào đầu SNAP sử dụng giá trị cho dạng ethernet như trong môi trường LAN

Chuyển mạch nhãn trong chế độ khung

Chúng ta xem xét quá trình chuyển đổi nhãn trong mạng MPLS sau khi nhận được một gói IP (hình 3.2)

 Sau khi nhận khung PPP lớp 2 từ router biên LSR biên số 1, LSR lõi 1 lập tức nhận dạng gói nhận được là gói có nhãn dựa trên giá trị trường giao thức PPP

và thực hiện việc kiểm tra nhãn trong cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn (LFIB)

 Kết quả cho thấy nhãn vào là 30 được thay bằng nhãn ra 28 tương ứng với việc gói tin sẽ được chuyển tiếp đến LSR lõi 3