Nghiên cứu công nghệ và mã hóa bảo mật trong Wimax

Nghiên cứu công nghệ và mã hóa bảo mật trong Wimax Nghiên cứu công nghệ và mã hóa bảo mật trong Wimax Nghiên cứu công nghệ và mã hóa bảo mật trong Wimax luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN HẢI BÁO

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VIẾT NGUYÊN

Hà Nội - 2010

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này, tôi xin gửi lời cảm ơn tới Thầy giáo TS Nguyễn Viết Nguyên đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận văn vừa qua

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông, các bạn trong lớp đã giúp tôi trong suốt khóa học cũng như việc hoàn thành luận văn này

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ Luận văn nào khác Các số liệu minh họa được chú thích, trích dẫn tham khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể

MỤC LỤC

Nội dung……… Trang

CHƯƠNG1 CÔNG NGHỆ WIMAX……… ………….……1

1.1 Khái niệm về mạng không dây băng rộng ……… 1

1.2 Công nghệ WiMAX……… ……… 2

1.2.1 WIMAX so với một số công nghệ khác……… 4

1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16 ………6

1.2.3 WiMAX và 3G LTE ………12

1.3 Đặc điểm cơ bản của WiMAX ………15

1.3.1 Đặc điểm của WiMAX cố định………16

1.3.2 Đặc điểm của WiMAX di động ……… 17

1.4 Đặc điểm công nghệ……… 17

1.4.1 WiMAX cố định - IEEE 802.16d-2004 ……….20

1.4.1.1 Lớp MAC ……….20

1.4.1.1.1 Lớp con hội tụ CS ……….20

1.4.1.1.2 Lớp con MAC CPS ……… 22

1.4.1.1.3 Lớp con bảo mật ………30

1.4.1.2 Lớp PHY……… 32

1.4.2 WiMAX di động - IEEE 802.16e – 2005……….34

1.4.2.1 Lớp MAC.………34

1.4.2.2 Lớp PHY trong Wimax di động ………39

1.4.2.3 Bảo mật ……… 44

1.5 Một số kết quả thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam ……… 45

1.5.1 Thử nghiệm WiMAX cố định……… ………45

1.5.2 Thử nghiệm WiMAX di động……… 50

1.6 Khả năng ứng dụng các dịch vụ WiMAX……….51

CHƯƠNG 2 OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX……… 53

2.1 Khái quát công nghệ OFDM……….53

2.1.1 Ý tưởng điều chế đa sóng mang……….53

2.1.2 Sử dụng IFFT để tạo sóng mang con…… ……….54

2.1.3 Khoảng thời gian bảo vệ và tiền tố chu trình ……….57

2.2 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong WiMAX………59

2.2.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA………… 60

2.2.1.1 Các kỹ thuật trong OFDMA……….61

2.2.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và phân kênh con……… …63

2.2.2 OFDMA co giãn (scalable - OFDMA)………65

2.2.3 Cấu trúc khung TDD……… 66

CHƯƠNG 3 BẢO MẬT TRONG WIMAX……… 67

3.1 Chuẩn mã hoá dữ liệu DES (Data Encryption Standard)……….70

3.1.1 Giới thiệu về chuẩn mã hoá dữ liệu DES……….70

3.1.2 Thuật toán mã hóa DES……… 71

3.1.3 Thuật toán mã hoá dữ liệu bội ba (Triple DES hay 3DES)…….88

3.1.4 DES trong chế độ CBC……… …90

3.2 Chuẩn mã hóa tiên tiến AES-Advanced Encryption Standard 94

3.2.1 Giới thiệu về mã hóa AES 94

3.2.2 Thuật toán mã hóa AES 98

3.2.3 AES-CCM trong Wimax……… 109

3.3 Cơ chế đảm bảo an ninh trong WiMAX ……… 113

3.3.1 Phân tích một số lỗ hổng an ninh trong wimax cố định……….113

3.3.2 Các biện pháp tăng cường an ninh trong WiMAX……… 117

PHẦN KẾT LUẬN ……… 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….121

THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

3-DES Triple Data Encryption Standard Chuẩn mã hóa dữ liệu bội

ba 3G Third Generation Technology Công nghệ truyền thông

thế hệ thứ ba 3GPP The Third Generation

Partnership Project

Dự án quan hệ đối tác thế

hệ thứ ba AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hóa tiên tiến

AMC Adaptive Modulation and

Coding

Điều chế thích nghi và mã hóa

ASA Authentication Security

Association

Liên kết bảo mật chứng thực

ATM Asynchronous Transfer Mode Kiểu truyền không cân

bằng BRH Bandwidth Request Header Mào đầu yêu cầu băng

thông

BWA Broadband Wireless Access Truy nhập vô tuyến băng

rộng CBC Cipher Block Chaining Chuỗi khối mật mã

CID Connection Identify Nhận dạng kết nối

CPE Customer Premises Equipment Thiết bị đầu cuối khách

hàng

CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung

CQI Channel Quality Indicator Chỉ số chất lượng kênh CQICH Fast Channel Feedback Phản hồi kênh nhanh

CS Service-Specific Convergence

Sublayer

Lớp con hội tụ dịch vụ

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance

Phương pháp truy nhập nhạy cảm sóng mang có

cơ chế tránh xung đột CTC Convolutional Turbo Code Mã Turbo chập

CTR Counter Encryption Mode

DES Data Encryption Standard Chuẩn mã hóa dữ liệu DFS Dynamic Frequency Selection Lựa chọn tần số động DHCP Dynamic Host Configuration

Protocol

Giao thức gán địa chỉ IP động chi thiết bị trên mạng

DSA Data Security Association Liên kết bảo mật dữ liệu DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số EAP Extensible Authentication

Protocol

Giao thức chứng thực mở rộng

ETSI European Telecommunications

tần số FEC Forward Error Correction Mã sửa sai

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier

FUSC Full Used Subcarrier mang con được sử dụng

hoàn toàn

HARQ Hybrid Automatic Repeat

ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Nghịch đảo biến đổi Fourier rời rạc IEEE Institute of Electrical and

Electronic Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện

tử IFFT Inverse Fast Fourier Transform Nghịch đảo biến đổi

nhanh Fourier

IP Initial Permutation Hoán vị ban đầu

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu

ITU International

Telecommunication Union

Hiệp hội Viễn thông quốc

tế

IV Initialization Vector Vector khởi tạo

KEK Key encryption Key Khóa mật mã khóa

LAN Local Area Network Mạng nội hạt

LDPC Low Density Parity Check Code Mã kiểm tra chẵn lẻ mật

độ thấp LMDS Local Multipoint Distribution Dịch vụ phân chia đa điểm

Service nội hạt LOS Ligh - Of - Sight Tầm nhìn thẳng

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập đa

phương tiện MIC Message Integrity Code Mã toàn ven bản tin

MIMO Multiple - In, Multiple - Out Nhiều đầu vào, nhiều đầu

ra NLOS None Ligh - Of - Sight Không trong tầm nhìn

thẳng OFDM Orthogonal Frequency Division

trung bình

PDA Personal Digital Assistant Thiết bị hỗ trợ cá nhân số PDU Protocol Data Unit Giao thức đơn vị dữ liệu

PKM Privacy Key Management Quản lý khóa bảo mật

PUSC Part Used Subcarrier mang con được sử dụng

một phần QAM Quadrature Amplitude

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô

tuyến RTG Receive Time Guard Khoảng bảo vệ hướng thu SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ SC-

FDMA

Single-carrier FDMA FDMA đơn sóng mang

SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SNMP Simple Network Management

Protocol

Giao thức quản lý mạng đơn giản

SVC Switched Virtual Connection Chuyển mạch kết nối ảo TDM Time Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo

thời gian TEK Traffic Encrytion Key Khóa mật mã lưu lượng TFTP Trivial File Transfer Protocol Giao thức truyền file

TLV Type-Length-Value Kiểu giá trị độ dài

TTG Transmit Time Guard Khoảng bảo vệ hướng

phát TTLS Tunneled Transport Layer

Security

Bảo mật lớp tải kiểu đường hầm

UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp phát không

được yêu cầu UWB Ultra Wireless Broadband Siêu băng thông

VoIP Voice over Internet Protocol Thoại qua giao thức

internet WCA World Communication

Microwave Access

Truy nhập sóng ngắn tương tác toàn cầu WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội hạt WMAN Wireless Metropolitant Area

Network

Mạng không dây đô thị

Giới thiệu đề tài nghiên cứu

Hiện nay công nghệ WiMAX là một trong những công nghệ băng rộng không dây được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai rộng rãi trên toàn thế giới cũng như Việt Nam Với tốc độ truy cập lên tới 70Mbps trong bán kính phủ sóng tới 50km (trong tầm nhìn thẳng) của chuẩn WiMAX cố định theo chuẩn 802.16d, cũng như khả năng duy trì kết nối với tốc độ di chuyển lên tới 120km/h và tốc độ truyền tối đa lên đến 75 Mb/s của WiMAX di động như hiện nay theo chuẩn 802.16e và sự cải tiến về tốc độ truyền lên đến 100 Mb/s khi di chuyển và 1 Gb/s khi truy nhập cố định đồng thời cũng hỗ trợ tốc độ di chuyển khi truy nhập mạng lên tới 350 km/h theo chuẩn 802.16m Chuẩn 802.16m dự định hoàn thiện vào năm 2010 và các sản phẩm thương mại của WiMAX theo chuẩn này sẽ được đưa ra thị trường vào cuối 2011, đầu 2012, công nghệ WiMAX hứa hẹn sẽ mang lại cuộc cách mạng thực sự trong việc thay đổi cách thức truy cập Internet của con người trong vài năm tới

Việc thử nghiệm kỹ thuật và nghiên cứu các yếu tố kinh tế, xã hội ảnh hưởng bởi WiMAX đã được các doanh nghiệp kinh doanh hàng đầu trong lĩnh vực viễn thông nước ta như: VNPT, Viettel, VTC, FPT, EVN tiến hành đối với WiMAX cố định từ tháng 03 năm 2006 và WiMAX di động từ 01 tháng 10 năm 2007 đã chứng tỏ vai trò quan trọng của WiMAX trong chiến lược phát triển của các doanh nghiệp cũng như lợi ích mang lại cho người tiêu dùng không chỉ ở thành thị mà còn tới cả các vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh được coi là khó khăn như xã Tả Van thuộc tỉnh Lào Cai Việc nghiên cứu kỹ thuật và khả năng ứng dụng công nghệ WiMAX để đáp ứng nhu cầu dịch trong mạng Viễn thông Việt Nam hiện nay đang là vấn đề được nhiều người quan tâm Luận văn này sẽ đi sâu vào nghiên cứu công nghệ này cùng với các

kỹ thuật mã hóa bảo mật trong WiMAX

D ANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các chuẩn IEEE 802.16……….10

Bảng 1.2 So sánh đặc điểm của WiMAX với 3G LTE ……….13

Bảng 1.3 Các loại khóa bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16-2004……….31

Bảng 1.4 Đặc tính vật lý chuẩn IEEE 802.16……….32

Bảng 1.5 QoS trong Wimax di động……… …36

Bảng 1.6 Tốc độ dữ liệu lớp PHY trong Mobile WiMAX……….40

Bảng 1.7 Thông số thiết bị WiMAX thử nghiệm tại Lào Cai…… ……… 46

Bảng 2 Các thông số S-OFDMA……….66

Bảng 3.1 Bảng kết quả sau hoán vị khởi tạo……… 73

Bảng 3.2 Bảng lựa chọn E bit……….74

Bảng 3.3 Hộp thay thế (S-Substitution) ……… …… 75

Bảng 3.4 Bảng hoán vị P………76

Bảng 3.5 Hoán vị khởi tạo ngược IP-1 của DES……….77

Bảng 3.6 Bảng lựa chọn hoán vị 1: PC-1 ……… 78

Bảng 3.7 Bảng lựa chọn hoán vị 2: PC-2……… 78

Bảng 3.8 Sơ đồ dịch vòng trái ……… 79

Bảng 3.9 Khóa - khối bit - số vòng……… 99

Bảng 3.10 Bảng S-box……… 101

Bảng 3.11 Mở rộng khóa 128bit……… 105

Bảng 3.12 Bảng S-box đảo………106

Bảng 3.12 Mã hóa AES-128……….108

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ

Hình 1.1 Mô hình mạng băng rộng không dây……… 1

Hình 1.2 Mô hình mạng WiMAX……….…15

Hình 1.3 Mô hình phân lớp chuẩn 802.16……… 19

Hình 1.4 Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16….20 Hình 1.5 Quá trình phân loại MAC SDU……… 21

Hình 1.6 Đinh dạng MAC PDU……… 24

Hình 1.7 QoS trong WiMAX……… 35

Hình 1.8 Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS…….40

Hình 1.9 Cơ chế yêu cầu lặp lại tự động khi lỗi xảy ra……… 43

Hình 1.10 Ảnh thung lũng Tả Van của tỉnh Lào Cai……… 48

Hình 1.11 Ảnh người dân xã Tả Van truy cập internet……… 50

Hình 2.1 Bộ điều chế OFDM……….55

Hình 2.2 Bốn sóng mang con OFDM trong miền thời gian……… 56

Hình 2.3 Bốn sóng mang con OFDM trong miền tần số………56

Hình 2.4 Chèn khoảng bảo vệ………58

Hình 2.5 Tín hiệu OFDM với 48 sóng mang con………59

Hình 2.6 Kỹ thuật OFDM và OFDMA……… 60

Hình 2.7 Mô tả tuyến lên của OFDMA và OFDM………61

Hình 2.8 Cấu trúc sóng mang con OFDMA………62

Hình 2.9 Kênh con phân tập tần số DL……… 63

Hình 2.10 Cấu trúc tile cho UL PUSC………65

Hình 2.11 Cấu trúc khung 802.16e OFDMA ……….67

Hình 3.1 Thuật toán mã hoá DES……… 72

Hình 3.2 Hàm lặp f của DES……… 73

Hình 3.3 Sơ đồ tính toán khóa……….80

Hình 3.4 Cấu trúc DESX………85

Hình 3.5 Tấn công “giao nhau ở giữa” chống lại DES kép………87

Hình 3.6 Sơ đồ mã hoá và giải mã Triple DES 89

Hình 3.7 Mã hoá DES – CBC……….90

Hình 3.8 Nguyên lý làm việc của chế độ CBC……… 91

Hình 3.9 Triple DES trong chế độ CBC 93

Hình 3.10 Chỉ số byte và bit……… 96

Hình 3.11 Bảng trạng thái đầu vào và đầu ra………97

Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán mã hóa và giải mã AES-128 ………99

Hình 3.13 Áp dụng S-box cho mỗi byte của bảng trạng thái……… 100

Hình 3.14 Dịch vòng trong 3 hàng cuối của bảng trạng thái………101

Hình 3.15 Hoạt động Mixcolumn trên từng cột của bảng trạng thái………102

Hình 3.16 XOR mỗi cột trong bảng trạng thái với một từ trong hệ thống khóa……….103

Hình 3.17 Vòng lặp mã hóa AES ………103

Hình 3.18 InvShiftRows……… 106

Hình 3.19 Sơ đồ giải mã AES-128……… 107

Hình 3.20 Nonce……… 110

Hình 3.21 CCM CBC Block……… 110

Hình 3.22 CCM counter block………111

Hình 3.23 Quá trình mã hóa và tạo mã nhận thực bản tin………112

Hình 3.24 Mã hóa tải tin AES-CCM………112

Hình 3.25 Sơ đồ kết nối mạng WiMAX……… 113

CHƯƠNG1 CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1 Khái niệm về mạng không dây băng rộng

Băng rộng không dây là một công nghệ hứa hẹn những kết nối tốc độ cao trong không trung Nó sử dụng sóng radio để truyền, nhận dữ liệu trực tiếp tới và từ người dùng bất cứ khi nào họ muốn Các công nghệ như 3G, Wifi hay WiMAX và UWB(Ultra Wide Band) sẽ làm việc cùng nhau để đáp ứng nhu cầu duy nhất này của khách hàng Truy nhập không dây băng rộng (BWA-Broadband Wireless Access) là hệ thống điểm đa điểm được tạo nên

từ các trạm phát sóng cơ sở và các thiết bị của khách hàng như hình dưới sẽ chỉ ra một trạm phát sóng cơ sở được kết nối với mạng đường trục Thay vì sử dụng các kết nối vật lý giữa các trạm cơ sở và các thuê bao, các trạm phát sóng cơ sở sử dụng anten ngoài trời để thu/phát tín hiệu thoại, dữ liệu tốc độ cao tới các thuê bao Công nghệ này giảm được những yêu cầu về cơ sở hạ tầng hữu tuyến đồng thời cung cấp những giải pháp mềm dẻo và hiệu quả cho những chặng cuối

Hình 1.1 Mô hình mạng băng rộng không dây

Đặc điểm nổi bật của mạng không dây băng rộng :

 Cho phép thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách

rất đơn giản, tiết kiệm, có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời với khả năng cơ động mềm dẻo cao

 Có thể thực hiện được các kết nối một cách linh hoạt mà mạng hữu

tuyến băng rộng không thể thực hiện được

 Luôn kết nối Bất kì khi nào máy tính được bật lên thì nó đều ở trạng

thái kết nối với internet Điều này có nghĩa là không phải lãng phí thời gian cho việc thực hiện các thủ tục kết nối mạng mỗi khi cần

 Nó vượt qua sự thực thi và độ tin cậy của các mạng hữu tuyến với

đường dây thuê riêng

 Tạo ra môi trường cạnh tranh cho sự phát triển các dịch vụ và các sản

phẩm mới Các đặc tính của BWA sẽ thu hút các công ty, các nhà đầu

tư vào ngành công nghiệp băng rộng không dây

1.2 Công nghệ WiMAX

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) là tên thương mại của chuẩn IEEE 802.16 Ban đầu chuẩn này được tổ chức IEEE đưa ra nhằm giải quyết các vấn đề kết nối cuối cùng trong một mạng không dây đô thị (WMAN-Wireless Metropolitant Area Network) hoạt động trong tầm nhìn thẳng LOS (Line of Sight) với khoảng cách từ 30 tới 50 km Nó được thiết kế để thực hiện lưu lượng đường trục cho các nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây, kết nối các điểm nóng WiFi, các hộ gia đình và các doanh nghiệp….đảm bảo QoS cho các dịch vụ thoại, video, hội nghị truyền hình thời gian thực và các dịch vụ khác với tốc độ hỗ trợ lên tới 280 Mbit/s mỗi trạm gốc Chuẩn IEEE 802.16-2004 hỗ trợ thêm các hoạt động không trong tầm nhìn thẳng tại tần số hoạt động từ 2 tới 11 GHz với các kết nối dạng mesh (lưới) cho cả người sử dụng cố định và di động Chuẩn mới IEEE 802.16e –

2005 hay còn gọi là “WiMAX Mobile Release 1”, được giới thiệu vào ngày 28/2/2006 bổ sung thêm khả năng hỗ trợ người dùng di động hoạt động trong băng tần từ 2 tới 6 GHz với phạm vi phủ sóng tới 30 km Chuẩn này hiện đang được thử nghiệm ở nhiều nước, được hy vọng là sẽ mang lại dịch vụ băng rộng thực sự cho những người dùng thường xuyên di động với các thiết

bị như laptop, thiết bị hỗ trợ cá nhân số (PDA-Personal Digital Assistant) tích hợp công nghệ WiMAX Phiên bản 802.16m hay còn gọi là “WiMAX Mobile Release 2” cũng đã được hoàn thiện vào cuối 2009 với mục đích đẩy tốc độ truyền lên tới 100Mbps đối với truy nhập di động và lên đến 1Gbps đối với truy nhập cố định trong khi vẫn tương thích với wimax cố định và di động đã

và đang triển khai

WiMAX cố định: Là công nghệ mạng cho những thiết bị truy cập mạng cố

định tại chỗ, hoặc có thể di chuyển từ nơi này qua nơi khác nhưng tốc độ rất chậm, trong đó sử dụng các anten hướng tính, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thần số trực giao (OFDM) bởi vì về bản chất OFDM ít phức tạp hơn so với kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao trên kênh co giãn (SOFDMA) Kết quả là, các mạng 802.16-2004 có thể được triển khai nhanh hơn với chi phí thấp hơn

WiMAX di động: Là giải pháp không dây băng rộng đáp ứng các ứng dụng cố

định cũng như các dịch vụ di động nên được gọi là wimax di động WiMAX

di động sử dụng công nghệ OFDMA tạo cho các định dạng 802.16e linh hoạt hơn khi việc quản lý các dịch vụ người dùng khác nhau với rất nhiều các kiểu anten và các yếu tố hình dạng khác nhau Nó đem lại sự giảm bớt can nhiễu cho các thiết bị khách hàng có các anten toàn hướng và khả năng truyền không trong tầm nhìn thẳng (NLOS) được cải thiện - những yếu tố rất cần thiết khi hỗ trợ các thuê bao di động Việc tạo kênh phụ sẽ xác định các kênh con để có thể gán cho các thuê bao khác nhau tuỳ thuộc vào các trạng thái

kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng Điều này tạo điều kiện để nhà khai thác linh hoạt hơn trong việc quản lý băng thông và công suất phát, và dẫn đến việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn

1.2.1 WIMAX so với một số công nghệ khác

Mạng đô thị MAN (Metro Area Network) theo định nghĩa là mạng bao phủ trên phạm vi một đô thị Về mặt ứng dụng, trên mạng MAN người ta có thể triển khai cung cấp thông tin cho rất nhiều các loại dịch vụ công cộng khác nhau như y tế, văn hóa, xã hội… Về mặt kĩ thuật, mạng MAN là tập hợp của rất nhiều công nghệ khác nhau, mỗi công nghệ tương ứng với một phần khác nhau trong mạng Cũng giống như các mạng LAN, WAN, mạng MAN chia làm hai loại: mạng MAN có dây và mạng MAN không dây

WiMAX là công nghệ cho mạng MAN không dây: Đã có khá nhiều công

nghệ băng rộng không dây ra đời, nhưng cho tới nay, chưa có một công nghệ không dây băng rộng nào hướng tới mục tiêu cung cấp tổng hợp các giải pháp truy nhập cho mạng MAN một cách tối ưu như WiMAX Các công nghệ đi trước chỉ cung cấp các giải pháp đơn lẻ, hướng tới một mục phần cụ thể trong mạng MAN ví dụ như LMDS hay WiFi,…

LMDS (Local multipoint distribution service): Là công nghệ truy nhập vô truyến băng rộng dành cho các tổ chức chính phủ, sử dụng dải tần phổ biến ở

26 đến 29 GHz để truyền sóng LMDS là một chuẩn được chỉnh sửa từ IEEE

802 LAN/MAN thông qua sự nỗ lực của nhóm IEEE 802.16.1

Ở dải tần số lớn, LMDS chỉ cho phép truyền sóng trong tầm nhìn thẳng (LOS) trong phạm vi tối đa 8 km, thông thường chỉ giới hạn đến 2.4 km vì lý

do suy hao đường truyền gây ra bởi fading do mưa LMDS cho phép triển khai các dịch vụ tốc độ cao như thoại, video, Internet,…

Hệ thống LMDS có tốc độ rất cao, hiệu suất điều chế của nó có thể đạt tới 5bit/Hz/s LMDS chỉ thích hợp với các mạng trục, các tổ chức doanh nghiệp có nhu cầu về tốc độ lớn LMDS không thích hợp với các khách hàng riêng lẻ, các hộ gia đình

WiFi: Thực ra là công nghệ hướng tới các mạng LAN không dây nhưng nó vẫn có thể dùng để triển khai cho các mạng rộng hơn như MAN Nhưng chính vì nó không được thiết kế cho MAN nên việc triển khai nó cho mạng MAN gặp rất nhiều vấn đề như:

- Thứ nhất, dải tần làm việc của 802.11 là dải tần miễn phí, nhiễu rất lớn

Do đó nó hoàn toàn không thích hợp với việc triển khai các dịch vụ công cộng cỡ lớn

- Thứ hai, 802.11 được thiết kế cho các mạng ít thuê bao, kênh truyền của

nó cố định kích thước khoảng 20 MHz, rất kém linh hoạt

- Thứ ba, 802.11 chưa cung cấp cơ chế QoS, một vấn đề vô cùng quan trọng đối với các hệ thống mạng đa dịch vụ

- Thứ tư, mặc dù nếu ta truyền trong môi trường tốt, ít nhiễu, LOS, sử dụng các Anten định hướng với công suất đủ lớn thì WiFi có thể đạt tới khoảng cách vài km nhưng phạm vi bao phủ như thế này cũng rất hẹp Như vậy, chỉ có sự ra đời của WiMAX mới giải quyết được tất cả các loại dịch vụ cơ bản trên của mạng MAN Nó có thể sử dụng các trạm gốc để thiết lập tuyến trục, phân phối dịch vụ tới khách hàng riêng lẻ hoặc thiết lập nên các vùng truy nhập dịch vụ cho các doanh nghiệp hoặc địa điểm công cộng

Hiện nay, WiMAX được xem là một giải pháp toàn diện của công nghệ không dây băng rộng trong đô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… WiMAX cho phép truyền không dây các loại dữ liệu, hình ảnh,

âm thanh nhanh hơn cả xDSL hay dùng cáp, và tất nhiên là nhanh hơn nhiều

lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu điều kiện truyền thẳng

Phạm vi bao phủ của WiMAX có thể lên tới vài chục km với tốc độ lớn nhất có thể lên tới 100 Mbps đối với di động và 1 Gbps đối với cố định Băng thông của WiMAX đủ để cung cấp đồng thời hàng trăm thuê bao T1 hoặc hàng trăm thuê bao xDSL

Hiện nay, việc triển khai các mạng cáp, xDSL có thể rất tốn thời gian

và tốn kém về kinh tế, và kết quả là một số lượng lớn khách hàng có nhu cầu

mà không được cung cấp dịch vụ WiMAX khắc phục hạn chế này, nó có khả năng cung cấp dịch vụ nhanh chóng và dễ dàng, ngay cả ở những nơi như nông thôn, rừng núi,… những nơi vô cùng khó khăn và bất lợi đối với việc triển khai các hệ thống có dây Trên thị trường hiện nay, WiMAX đã được tích hợp vào các thiết bị không cố định như máy xách tay, PDA, USB…

1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16

 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001:

Những đặc tính ban đầu của chuẩn IEEE 802.16 đã định nghĩa lớp MAC (Media Access Control) và PHY (Physical) có khả năng cung cấp truy nhập băng rộng không dây cố định ( Fixed Wireless Access) theo mô hình điểm - điểm và điểm - đa điểm Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập các giao diện không gian (air interfaces) dựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các đặc tính lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và những điều chỉnh phổ có liên quan Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 10 – 66 GHz Với phương pháp điều chế đơn sóng mang 802.16 hỗ trợ cả hai phương pháp song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) hay phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplexing) Trong khi chuẩn IEEE 802.11 dùng phương pháp truy nhập nhạy cảm sóng mang có cơ chế tránh xung đột

(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - CSMA/CA) để cho phép khi nào một node trên mạng được phép truyền dữ liệu, thì lớp MAC của IEEE 802.16-2001 sử dụng một mô hình hoàn toàn khác để điều khiển sự truyền dẫn trên mạng Trong thời gian truyền dẫn, phương pháp điều chế được ấn định bởi BS và chia sẻ với tất cả các node trong mạng trong thông tin broadcast cho cả đường lên và đường xuống Bằng việc lập lịch cho việc truyền dẫn, vấn đề các node ảo đã được loại trừ Thuê bao chỉ cần nghe tín hiệu từ trạm gốc (BS-Base Station) và sau đó là từ các node trong phạm vi phủ sóng của BS đó Ngoài ra, thuật toán lập lịch có thể thay đổi khi xảy ra quá tải hoặc khi số thuê bao tăng lên quá nhiều Trạm thuê bao (SS-Subscriber Stations ) có thể thương lượng về độ rộng dải tần được cấp phát trong một burst - to - burst cơ bản, cung cấp một lịch truy nhập mềm dẻo Các phương pháp điều chế được định nghĩa bao gồm: PSK, 16-QAM và 64-QAM Chúng có thể thay đổi từ khung này tới khung khác, hay từ SS này tới SS khác tuỳ thuộc vào tình trạng của kết nối Khả năng thay đổi phương pháp điều chế và phương pháp sửa lỗi FEC (Forward Error Correction) theo các điều kiện truyền dẫn hiện thời cho phép mạng thích ứng nhanh chóng với điều kiện thời tiết, như fading do mưa Các tham số truyền dẫn ban đầu được thoả thuận thông qua một quá trình tương tác gọi là Initial Ranging Trong quá trình này thì năng lượng, phương pháp điều chế và timing feedback được cung cấp bởi BS được kiểm soát và quản lý theo điều kiện hiện thời của kết nối Phương pháp song công của kênh đường lên và đường xuống được sử dụng hoàn toàn theo một trong hai phương pháp TDD (time division duplexing) hoặc FDD (frequency division duplexing)

Quan trọng hơn nữa, chuẩn IEEE 802.16-2001 kết hợp chặt chẽ các đặc tính có khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau xuống lớp vật lý Khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ được xây dựng dựa theo khái niệm về lưu lượng dịch vụ (service flows), nó được xác định một cách vừa đủ bởi một ID

lưu lượng dịch vụ Những lưu lượng dịch vụ này được mô tả bởi các tham số QoS của chúng như thời gian trễ tối đa và lượng jitter cho phép Lưu lượng dịch vụ là đơn hướng và nó có thể được tạo ra bởi BS hoặc SS Đóng vai trò cốt lõi trong việc bảo mật của chuẩn IEEE 802.16 là lớp con riêng biệt (privacy sublayer) Mục đích chính của lớp con riêng biệt là cung cấp sự bảo mật trên các kết nối không dây của mạng Nó được thực hiện thông qua việc mật mã hoá dữ liệu gửi giữa BS và SS Để ngăn cản việc trộm dịch vụ, SS có thể được nhận thực qua chứng chỉ số X.509 Chứng chỉ này bao gồm khoá công khai của SS và địa chỉ MAC

Năm 2003, IEEE đưa ra chuẩn không dây 802.16a để cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối và điểm kết nối bằng băng tần 2-11 GHz với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nối điểm điểm và 7-10 km trong trường hợp kết nối từ điểm đa điểm Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70 Mbps Trong khi, với dải tần 10-66Ghz chuẩn 802.16 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng thì với dải tần 2-11Ghz, chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thông có các giải pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình mà công nghệ thuê bao số hay mạng cáp không tiếp cận được

IEEE 802.16a bao gồm cả đặc tính lớp PHY và cải tiến lớp MAC cho khả năng truyền dẫn đa đường và giảm tối đa nhiễu Các đặc tính được thêm vào cho phép sử dụng kỹ thuật quản lý năng lượng cao cấp hơn, và dãy anten thích ứng Phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM cung cấp thêm một sự lựa chọn cho phương pháp điều chế đơn sóng mang

Để cung cấp một kỹ thuật giảm thiểu can nhiễu trong các mạng không dây

hiện nay, IEEE 802.16a cũng định nghĩa thêm phương pháp điều chế đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – OFDMA – Modulation) trong phạm vi dải tần 2 – 11 GHz Vấn đề bảo mật cũng được cải tiến, với rất nhiều đặc trưng lớp con riêng biệt được đưa thêm vào Các đặc tính riêng biệt được sử dụng để nhận thực tác nhân gửi (sender) của một bản tin MAC nào đó

IEEE 802.16a cũng đưa thêm các tuỳ chọn hỗ trợ cho mạng Mesh, ở những nơi mà lưu lượng có thể được định tuyến từ SS tới SS Đây là sự thay đổi từ chế độ point-multi-point, khi mà lưu lượng chỉ được phép truyền giữa

BS và SS Sự bổ sung những đặc tính lớp MAC thích hợp cho phép việc lập lịch truyền dẫn giữa các SS của mạng Mesh mà không cần phải có sự kiểm soát của BS

 Chuẩn IEEE 802.16c – 2002:

Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002 Chuẩn được nâng cấp lên từ chuẩn 802.16 – 2001 Bản cập nhật đã sửa một số lỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban đầu và thêm vào một số profiles hệ thống chi tiết cho dải tần 10 – 66 GHz

 Chuẩn IEEE 802.16d – 2004:

Chuẩn IEEE 802.16-2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24/07/2004

và được công bố rộng rãi vào tháng 9/2004 IEEE 802.16 – 2004 thường được gọi với tên 802.16-REVd Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn 802.16-2001, 802.16a, 802.16c Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập các đặc tính hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16 ban đầu Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở các môi trường khác nhau:

- Băng tần 10 – 66 Ghz: với băng tần này thường được dung trong môi trường tầm nhìn thẳng (LOS) Độ rộng kênh được khuyến nghị cho dải tần này là 25 đến 28 MHz Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình điểm – đa điểm

- Băng tần 2 – 11 GHz: với băng tần này thường được dùng trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng (NLOS) Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình Mesh

 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005:

Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm cho các dịch vụ di động Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập với khả năng co giãn SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access), kỹ thuật điều chế đa sóng mang sử dụng kênh phụ Băng tần được khuyến cáo dành cho chuẩn là < 6Ghz để phục vụ cho các ứng dụng truyền trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng (NLOS) và ứng dụng di động

Tuy tốc độ và khả năng bao phủ không được lớn như chuẩn cố định, nhưng nó cũng có thể đạt tới tốc độ 75 Mbps, với khả năng bao phủ tới 30

km Một đặc điểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trong môi trường

di động với tốc độ lý thuyết có thể lên tới đến 120 km/h Với những đặc điểm

và sự phát triển của các chuẩn 802.16 nói trên, ta có thể nhận thấy được sự khác nhau về cơ bản, cũng như nhận biết được những tính kế thừa của các chuẩn này

Không trong tầm nhìn thẳng

Không trong tầm nhìn

Không trong tầm nhìn

truyền (LOS) (NLOS) thẳng

(NLOS)

thẳng (NLOS) Tốc độ

truyền

32-144 Mb/s

Tối đa 70 Mb/s Tối đa 75

Mb/s

Tối đa 350 Mb/s

Điều chế Đơn sóng

mang QPSK

OFDM 256 sóng mang con QPSK,

16QAM, 64 QAM

S-OFDMA QPSK, 16QAM, 64 QAM

S-OFDMA QPSK, 16QAM, 64 QAM

1.25 đến 20 MHz

3.5 đến 10 MHz

5, 10, 20, 40 MHz

WiMAX được công nhận là chuẩn toàn cầu:

Ngày 18 tháng 10 năm 2007, trong hội nghị 04 năm một lần của mình Hiệp hội Truyền thông Vô tuyến điện ITU chấp nhận đưa WiMAX vào họ công nghệ IMT-2000 Quyết định quan trọng này sẽ giúp tăng khả năng triển khai ứng dụng WiMAX tại nhiều nước châu Á trong đó có Việt Nam, những nơi còn đang chờ chuẩn hóa WiMAX để tận dụng kinh tế qui mô toàn cầu về công nghệ và thiết bị Trước khi công nhận WiMAX, hệ thống tiêu chuẩn IMT-2000 đã được ITU công nhận bao gồm: WCDMA, CDMA 2000 (hiện thường được nhắc đến với tên phiên bản CDMA 2000 EV-DO), CDMA TDD (được phát triển bởi Trung quốc) , WUC-136, DECT

Và quyết định mới nhất của mình ITU đã đưa WiMAX lên ngang tầm với công nghệ khác Tiến sỹ Ray Owen, Giám đốc công nghệ, Motorola khu vực châu Á cho biết "bây giờ WiMAX đã được công nhận là công nghệ IMT-

2000, nó đảm bảo cho các nhà khai thác và nhà quản lý trên toàn thế giới có thể yên tâm đầu tư vào băng thông rộng di động thực sự dùng công nghệ WiMAX Điều này đặc biệt quan trọng tại châu Á đối với băng tần 2.5 GHz Đây cũng là một bước ngoặt quan trọng giúp xoá bỏ các hoài nghi lâu nay về khả năng ứng dụng rộng rãi WiMAX để cải thiện việc phát triển băng thông rộng ở các nước đang phát triển tại châu Á"

Trong bản thông cáo báo chí của Hiệp hội Truyền thông Vô tuyến điện Quốc tế (WCA), Giám đốc Hiệp hội Steve Sharkey của Motorola, trưởng nhóm nghiên cứu tư vấn cho WCA và các tổ chức ủng hộ khác trong lĩnh vực này đã khẳng định: “ITU đã có một bước tiến quan trọng, đảm bảo công chúng sẽ được hưởng lợi từ các công nghệ không dây hiện đại nhất hiện nay, khi quyết định đưa WiMAX vào họ công nghệ IMT-2000 Động thái này đem WiMAX lên ngang tầm với các công nghệ GSM và CDMA và đảm bảo cho các nhà khai thác có thể yên tâm triển khai công nghệ theo nhu cầu của người

sử dụng chứ không phải bị hạn chế bởi các qui định quản lý”

1.2.3 WiMAX và 3G LTE (3GPP Long Term Evolution)

Nói tới WiMax , người ta có thể nghĩ tới rất nhiều giải pháp thay thế mà công nghệ này có thể mang lại Đó chính là khả năng thay thế đường xDSL giúp tiếp cận nhanh hơn các đối tượng người dùng băng rộng mà không cần phải đầu tư lớn Đặc biệt WiMAX rất hữu ích để cung cấp dịch vụ băng thông rộng ở những vùng xa xôi mà giải pháp ADSL hoặc cáp quang là rất tốn kém Bên cạnh các dịch vụ cố định, WiMAX còn cung ứng các dịch vụ di động giống như những dịch vụ của mạng 3G : thoại VoIP, internet di động, TV di động…3G LTE là một công nghệ di động mới đang được phát triển và chuẩn

hóa bởi 3GPP (The Third Generation Partnership Project) Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004, nhằm đảm bảo tính cạnh tranh của mạng 3G trong vòng 10 năm tới Mặc dù 3GPP đã phát triển HSPA (High Speed Packet Access) để tăng tốc độ dữ liệu (tốc độ tối đa có thể là 14.4 Mbps), nhưng 3G HSPA vẫn không thể cung cấp tốt những dịch vụ như video, TV di động Đứng trước sự ra đời và cạnh tranh của WiMAX cũng như nhu cầu cung cấp dịch vụ băng thông rộng ngày càng cao, 3GPP buộc phải phát triển 3G LTE

để có thể đứng vững 3G LTE hứa hẹn sẽ cho tốc độ dữ liệu truyền trên kênh xuống (downlink) lớn hơn 100 Mbps và trên kênh lên (uplink) lớn hơn 50 Mbps Giống như WiMAX, 3G LTE dựa trên nền gói IP(IP-Internet Protocol)

do đó sẽ không còn chuyển mạch kênh như trong các thế hệ 2G, 3G hiện tại Kiến trúc mạng của 3G LTE sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng 3G LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 3G LTE

mà không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có 3G LTE sử dụng công nghệ đa truy cập OFDMA cho kênh xuống và SC-FDMA cho kênh lên

và nó vẫn dựa trên công nghệ ăng-ten MIMO để đạt tốc độ truyền dự liệu cao như mong muốn

Bảng 1.2 So sánh đặc điểm của WiMAX với 3G LTE

Đặc điểm 3GPP LTE

Source: 3GPP RAN1

802.16e Mobile WiMAX R1

802.16m Mobile WiMAX R2

Đa truy nhập UL: SC-OFDMA

DL: OFDMA

UL: OFDMA DL: OFDMA

UL: OFDMA DL: OFDMA Băng thông

UL: 28 (2x2) DL: 75 (2x2) Tại băng thông 10

UL: >200 (2x4)

DL: >350

MHz MHz (4x4)

Tại băng thông

20 MHz Khả năng đáp

50 ms

Truy nhập: 20 ms Chuyển giao: 35 -

50 ms

Truy nhập: <

10 ms Chuyển giao: <

20 ms Cấu hình

MIMO

UL: 1x2, 1x4, 2x2, 2x4

DL: 2x2, 2x4, 4x2, 4x4

UL: 1x2 DL: 2x2

UL: 1x2, 1x4, 2x2, 2x4

DL: 2x2, 2x4, 4x2, 4x4

Bán kính phủ

(km)

5/30/100 (chất lượng tốt nhất ở 5 km)

~50 users/sector/FDD

~25users/sector/T

DD MHz

>100users/sector/FDD

>50users/sector/TDD MHz Hiện tại WiMAX di động Rel 1 (802.16e) đã có đủ sức cạnh tranh về mặt công nghệ so với 3G LTE Tuy nhiên, nếu nhìn kỹ trên bảng so sánh thì

ta thấy công nghệ 3G LTE vẫn vượt hơn 802.16e về cả tính năng di động và tốc độ truyền dự liệu Song, đối với WiMAX di động Rel 2 thì thấy những tính năng vượt trội so với 3G LTE

Ngày nay tất cả đều đồng ý với nhau rằng để đạt được tốc độ dữ liệu cao chỉ có thể nhờ vào công nghệ ăngten đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO-Multiple

In, Multiple Out) và kỹ thuật đa truy cập OFDMA 3G LTE ra đời muộn hơn WiMAX và nó cũng không thể nào không dùng MIMO và OFDMA Do vậy, nếu xét về mặt kỹ thuật truyền thông không dây (wireless communication) thì 3G LTE không có bất cứ một kỹ nghệ cơ bản nào vượt trội so với WiMAX di động Nếu nhìn lại bảng so sánh ở trên sẽ thấy điểm khác nhau nổi bật là 3G

LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA cho đường lên thay vì OFDMA như trong WiMAX Song, theo nhiều chuyên gia thì sự khác biệt này lại là một điểm yếu của 3G LTE Thực tế SC-FDMA cho phép cải tiến PAR (Peak-to-Average power Ratio) khoảng 2dB ở máy phát Tuy nhiên nó lại gây mất khoảng 2-3dB về hiệu suất (performance) truyền thông trên kênh truyền nhiễu fading ở đầu máy thu Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy SC-FDMA thực tế cho một hiệu suất trên kênh lên thấp hơn so với OFDMA Nhìn chung về mặt kỹ thuật thì hai công nghệ này là ngang tài ngang sức nhau và cùng thu hút được một sự quan tâm lớn, tạo một bước nhảy trong công nghệ thông tin di động Tuy nhiên để lựa chọn một công nghệ phù hợp trong thực tiễn còn phải xét đến nhiều yếu tố khác

1.3 Đặc điểm cơ bản của WiMAX

Chúng ta có thể hình dung mô hình hoạt động của mạng WiMAX như mạng điện thoại di động Nghĩa là có một hệ thống mạng lõi và một mạng lưới các trạm phát sóng vô tuyến để phủ sóng đến từng người dùng đầu cuối Phạm vi phủ sóng lớn nhất của trạm WiMAX có thể đạt tới 50km

Hình 1.2 Mô hình mạng WiMAX

Vì công nghệ WiMAX hỗ trợ cho cả phương thức truy nhập cố định và di động nên hệ thống WiMAX cũng có những đặc điểm khác nhau:

1.3.1 Đặc điểm của WiMAX cố định

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

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

- Hoạt động trong cả 2 môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền che khuất NLOS

- Các phương pháp điều chế số được sử dụng là: QPSK, 16QAM, 64QAM dùng phối hợp các phương pháp mã hóa sửa lỗi là mã khối (Reed Salomon) và mã xoắn (mã chập) CC

- Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều băng con 1,75MHz 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 họat để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần

- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được chia thành 4 lớp: Lớp con hội tụ (CS-Convergence Sublayer) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên, lớp con phần chung MAC CPS(MAC-Common Part Sublayer), lớp con bảo mật (Security Sublayer) và lớp vật

lý (Physical) Các lớp này tương đương với hai lớp dưới cùng của mô

hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên

1.3.2 Đặc điểm của WiMAX di động

- Khoảng cách giữa trạm thu và phát trong khoảng 1– 30 km

- Tốc độ truyền: lên tới 350 Mb/s

- Không yêu cầu môi trường truyền sóng trong tầm nhìn thẳng

- Dải tần làm việc của WiMAX di động tập trung trong khoảng tần số dưới 6GHz ( 2,3 GHz; 2,5 GHz; 3,3 GHz; 3,5 GHz)

- Độ rộng băng tần của hệ thống từ 3.5 tới 40 MHz

- Đường lên và xuống có thể được phân chia theo công nghệ TDD hoặc FDD, nhưng TDD được khuyến nghị sử dụng nhiều hơn vì những tính năng ưu việt của nó

- Điểm khác biệt rõ nét so với WiMAX cố định là WiMAX di động sử dụng công nghệ điều chế hỗ trợ đa truy nhập co giãn S- OFDMA (Scalable OFDMA), cho phép thay đổi kích thước FFT tức là thay đổi

số sóng mang con Số sóng mang con có thể là 128, 512, 1024 hay lớn nhất là 2048 Số sóng mang con này được chia thành các kênh con với số lượng kênh con lớn nhất là 32

- WiMAX di động sử dụng phương pháp điều chế và mã hóa thích ứng, hỗ trợ các kiểu điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM Phương pháp mã hóa sửa lỗi dùng mã xoắn CC (Convolutional Code) và mã CTC

(Convolutional Turbo Code)

1.4 Đặc điểm công nghệ WiMAX

Một số các đặc điểm chính mà WiMAX hỗ trợ là:

• Tốc độ dữ liệu cao: Các kỹ thuật anten MIMO cùng với các nguyên lý

chia nhỏ kênh (sub-channelization) linh hoạt, mã hoá và điều chế nâng cao, tất cả làm cho công nghệ WiMAX di động có khả năng hỗ trợ tốc

độ dữ liệu đường xuống (DL) tối đa lên tới 75 Mbps cho một sector và tốc độ dữ liệu đường lên (UL) tối đa lên tới 28Mbps cho một sector trên một kênh 10MHz đối với phiên bản 1và tốc độ dữ liệu đường xuống (DL) tối đa lên tới 350Mbps cho một sector, tốc độ dữ liệu đường lên (UL) tối đa lên tới 200Mbps cho một sector trên một kênh 20MHz đối với phiên bản 2

• Chất lượng dịch vụ (QoS): Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC (Media

Access Control) trong IEEE 802.16 là QoS Nó định nghĩa luồng dịch vụ (Service Flows) mà có thể ánh xạ đến các điểm mã DiffServ hoặc các nhãn luồng MPLS để cho phép kết nối đầu cuối tới đầu cuối (end-to-end) theo giao thức IP trên cơ sở QoS Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên cơ

sở kênh chia nhỏ kênh (sub-channelization) và MAP cung cấp một cơ chế linh động cho việc lập lịch tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện vô tuyến theo khung (frame by frame)

• Tính mềm dẻo: Tài nguyên phổ cho băng rộng không dây được cấp phát

khác nhau Vì vậy công nghệ WiMAX di động được thiết kế để có thể linh hoạt (mềm dẻo) để hoạt động trong các kênh khác nhau thoả mãn các yêu cầu trên toàn cầu

• Khả năng bảo mật: Các đặc tính khả năng bảo mật trong WiMAX di

động là tốt nhất trong lớp với sự xác thực trên theo giao thức xác thực mở rộng EAP(EAP-Extensible Authentication Protocol), mã hoá được xác thực theo AES-CCM, cách bảo vệ bản tin điều khiển theo CMAC (Cipher-based MAC) và HMAC(Hash MAC) Các xác thực cho một tập các người dùng đang tồn tại bao gồm: thẻ SIM/USIM, các thẻ thông minh (Smart Card), các chứng chỉ số (Digital Certificate), các nguyên lý Username/Password theo các phương pháp EAP tương ứng cho kiểu nhận thực

• Khả năng di động: WiMAX di động hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối

ưu với trễ nhỏ hơn 50 msec để đảm bảo các ứng dụng thời gian thực như VoIP với dịch vụ không bị suy giảm Các nguyên lý quản lý khoá linh động mà bảo mật được duy trì trong quá trình chuyển giao

Cũng giống như các bộ chuẩn khác họ 802 của IEEE, 802.16 chỉ tập trung vào việc mô tả và chuẩn hóa hai lớp liên kết dữ liệu (Datalink Layer) và lớp vật lý (Physical Layer) trong mô hình OSI(Open System Interface)

Hình 1.3 Mô hình phân lớp chuẩn 802.16

Sơ lược về các lớp trong chuẩn 802.16 nói chung:

Lớp MAC mô tả trong 802.16 bao gồm ba lớp con (Sublayer): lớp con hội tụ (CS), lớp con MAC (CPS) và lớp con bảo mật

Lớp CS cung cấp bất cứ việc chuyển đổi hoặc ánh xạ từ các mạng mở rộng khác như ATM, Ethernet, thông qua một điểm truy nhập dịch vụ SAP (SAP-Service Access Point) Chính xác hơn, lớp này làm nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp CPS Cũng tại đây sẽ diễn ra sự phân

Lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ - CS

Lớp con phần chung MAC (MAC CPS)

Thực thể quản lý lớp con phần chung MAC

Thực thể quản lý lớp vật lý

lớp dịch vụ của các mạng ngoài để ánh xạ vào một dịch vụ thích hợp trong 802.16

Lớp CPS cung cấp các chức năng chính của lớp MAC, đó là các chức năng như truy nhập, phân bố băng thông, thiết lập, quản lí kết nối Nó sẽ nhận

dữ liệu từ các CS khác nhau để phân lớp vào một kết nối MAC riêng Chất lượng dịch vụ cũng sẽ được áp dụng trong việc truyền và sắp xếp dữ liệu

Lớp con bảo mật cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa

Lớp vật lý bao gồm rất nhiều các định nghĩa khác nhau, mỗi cái thích hợp cho một dãy tần số và ứng dụng riêng

Hình 1.4 Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16

Sau đây sẽ trình bày những đặc điểm chính về lớp MAC và PHY trong hai chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16d-2004) và WiMAX di động IEEE 802.16e-2005)

Lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ - CS Lớp con phần chung - CPS Lớp con bảo mật Lớp vật lý PHY

ATM, Ethernet, IP, 802.11x

Packing, Fragmentation, Q o S, ARQ

Authentical, Key exchange, Encryption

OFDM, Ranging, Power control, DFS, Transmit, Receive

Data Unit) từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ

mà xử lí các PDU, phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP thích hợp

Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ

dữ liệu SDU, ánh xạ nó vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS Để đảm bảo thực hiện được điều này, lớp CS có thể sử dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí Hiện tại chỉ có hai định nghĩa được được cung cấp trong 802.16: ATM CS và Packet CS ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như IPV4, IPV6, Ethernet, VLAN,…

ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lí, phân lớp dịch vụ và phân phối

nó xuống lớp dưới Packet CS phân lớp các loại MAC SDU vào kết nối thích hợp, gỡ, thêm các tiêu đề, phân phối dữ liệu đến lớp con MAC, nhận dữ liệu

từ lớp con MAC rồi xử lí Các MAC SDU sẽ được phân loại bằng cách ánh xạ

nó vào một kết nối riêng, điều đó cũng có nghĩa là MAC SDU sẽ được ánh xạ vào một luồng dịch vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng

Hình 1.5 Quá trình phân loại MAC SDU

Hình 1.5 Quá trình phân loại MAC SDU

Thực thể lớp trên Bridge, Router, Host….

Bộ phân lớp dịch vụ

CID 1 CID 2

SDU, CID

1.4.1.1.2 Lớp con MAC CPS

Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có mấy dạng kiến trúc là Điểm – Điểm (P2P- point to point), Điểm - Đa điểm (PMP - point

to multi point) và kiểu lưới (Mesh)

- Kiến trúc P2P xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối xảy ra giữa từng cặp BS, SS

- Kiến trúc PMP là sẽ có một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau

So với P2P thì PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu suất tốt nhưng phạm

vi bao phủ thường hẹp hơn nhiều Kiến trúc PMP trong triển khai thường được tổ chức thành các vùng (sector) và nó hỗ trợ tốt trong truyền thông multicast

- Kiến trúc Mesh là kiến trúc mà bao giờ cũng có một đường liên kết giữa hai điểm bất kì

Mặc dù 802.16- 2004 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiến trúc được quan tâm nhất Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS Trên đường xuống (downlink), dữ liệu đưa tới SS được hợp kênh theo kiểu TDM Các SS chia sẻ đường lên theo dạng TDMA

MAC 802.16 theo kiểu hướng kết nối (connection-oriented) Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch vụ không kết nối (connectionless) cố hữu, được ánh xạ tới một kết nối Điều đó cung cấp một cơ chế cho yêu cầu dải thông, việc kết hợp QoS và các tham số về lưu lượng, vận chuyển và định tuyến dữ liệu đến lớp con quy tụ thích hợp và tất cả các hoạt động khác có liên quan đến điều khoản hợp đồng của dịch vụ Các kết nối được tham chiếu đến các CID 16-bit (16-bit connection identifier) và có thể yêu cầu liên tiếp dải thông được cấp phát hay dải thông theo yêu cầu

Đánh địa chỉ và kết nối

Mỗi SS sẽ có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48bit, giống như được định nghĩa trong 802 nói chung Địa chỉ này là duy nhất cho thiết bị trên toàn thế giới Nó được sử dụng trong quá trình khởi tạo kết nối Nó cũng có thể được dùng để chứng thực giữa BS và SS với nhau

Lúc vào mạng, SS được gán ba kết nối quản lý (management connection) cho mỗi hướng (Uplink hoặc Down link) Ba kết nối này phản ánh ba yêu cầu QoS khác nhau được sử dụng cho ba mức quản lý khác nhau giữa BS và SS Kết nối đầu tiên là kết nối cơ sở (basic connection) được dùng

để truyền các bản tin ngắn, “time-critical MAC” và RLC (radio link control) Kết nối quản lý sơ cấp (primary management connection) được sử dụng để truyền các thông điệp dài hơn, chịu trễ nhiều hơn như những gì được sử dụng

để chứng thực và cài đặt kết nối Kết nối quản lý thứ cấp được sử dụng để truyền các thông điệp quản lý dựa trên cơ sở các chuẩn như DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), TFTP (Trivial File Transfer Protocol) và SNMP (Simple Network Management Protocol) Ngoài những kết nối quản

lý này, các SS được cấp phát các kết nối vận chuyển (transport connection) cho các dịch vụ đã ký hợp đồng Những kết nối vận chuyển theo một hướng duy nhất đơn giản hoá các tham số QoS đường lên và đường xuống khác nhau

và các tham số lưu lượng Ngoài ra MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung cho những mục đích khác như sự truy nhập lúc khởi đầu trên cơ sở cạnh tranh, sự truyền quảng bá (broadcast) cho đường xuống hoặc sự kiểm tra tuần tự (polling)

Định dạng MAC PDU

Đơn vị giao thức dữ liệu MAC (MPDU) chứa các bản tin trao đổi giữa

BS MAC và SS MAC Nó có 3 phần: Một Header MAC có độ dài cố định, header này chứa thông tin điều khiển khung, một tải có độ dài thay đổi

(Frame Body) và một giá kiểm tra tuần tự khung (FCS – Frame Check Sequence) chứa 32 bit CRC

Các loại MAC Header là: đơn vụ dữ liệu dịch vụ MSDU (MAC Service Data Unit) ở đây tải là các đoạn MAC SDU ví dụ như dữ liệu đến từ các lớp cao hơn (CS PDU), thứ 2 là Generic MAC Header (GMH), ở đây tải là các bản tin quản lý MAC hoặc các gói được đóng gói trong các MAC CS PDU, cả

2 MSPU và GMH đều được truyền trên các kết nối quản lý, thứ 3 là một BRH (Bandwidth Request Header) không có tải

Ngoại trừ các Bandwidth Request PDU, các MAC PDU có thể chứa bản tin quản lý MAC hoặc dữ liệu lớp con hội tụ - MSDU Với GMH và MSDU, bit HT (Header Type) luôn luôn được thiết lập là 0 (Zero) trong khi BRH luôn luôn được đặt là 1 MAC Header có chứa một cờ, chỉ ra loại tải của PDU có được mã hóa hay không

Hình 1.6 Định dạng MAC PDU Trong chuẩn IEEE 802.16-2001, MAC Header và tất cả các bản tin quản lý MAC không được mã hóa Quy định này tạo sự đơn giản cho quá trình đăng ký, tranh chấp và các hoạt động khác tại lớp con MAC Trong chuẩn IEEE 802.16e, các tải của MAC PDU được mã hóa theo chuẩn DES(Data Encryption Standard) theo cơ chế CBC(Cipher Block Chaining),

GMH MSDU (MAC Service Data Unit) CRC

GMH / BRH Bản tin quản lý MAC CRC

ARQ – Automatic Repeat Request BRH – Bandwidth Request header CID – Connection ID

GMH – Generic MAC Header MSDU – MAC Service Data Unit

Tải

CID của kết nối vân chuyển

CID của kết nối quản lý

hoặc AES(Advanced Encryption Standard) trong cơ chế CCM Phiên bản bổ xung IEEE 802.16e cũng đưa ra một kỹ thuật bảo toàn tính nguyên vẹn lưu lượng dữ liệu.

Quá trình xây dựng MAC PDU

Trước khi được truyền đi, lớp MAC sẽ phải xây dựng MAC PDU một cách hợp lí và hiệu quả nhất Quá trình này bao gồm các bước sau:

- Quá trình móc nối: Nhiều MAC PDU có thể được kết hợp với nhau vào một phiên truyền ( PDU dữ liệu, PDU yêu cầu băng thông,…) Quá trình này có thể thực hiện ở cả đường lên và đường xuống

- Quá trình phân mảnh: Quá trình này chia một MAC SDU có kích thước lớn thành nhiều MAC PDU có kích thước hợp lí hơn Quá trình này đước sử dụng đối với các dịch vụ mà gói tin có kích thước lớn, như voice, video, được dùng để khai thác một cách hiệu quả băng thông liên quan đến chất lượng dịch vụ Nó có thể được thực hiện ở cả đường lên và đường xuống

- Quá trình đóng gói (packing): Quá trình kết hợp nhiều MAC SDU thành một MAC PDU Các kết nối phải cho phép mang các gói tin có kích thước thay đổi để khai thác được hiệu quả tính năng này

Cả hai quá trình phân mảnh và đóng gói có thể được bắt đầu bởi một

BS cho một kết nối đường xuống hoặc một SS cho một kết nối đường lên Hai quá trình này được cho phép đồng thời để có thể sử dụng dải thông một cách hiệu quả

Yêu cầu dải thông và cấp phát

Khi vào mạng, mỗi SS được gán đến 3 CIDs cho các mục đích gửi và nhận những bản tin điều khiển 3 cặp kết nối CID này được sử dụng để phân biệt các mức QoS của các kết nối khác nhau Yêu cầu tăng hoặc giảm băng thông rất cần thiết cho tất cả các dịch vụ ngoại trừ kết nối UGS (dịch vụ cấp