Công nghệ WIMAX và ứng dụng của WIMAX trong mạng viễn thông

Thông tin không dây đang có mặt tại khắp mọi nơi và phát triểnmột cách nhanh chóng, các hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng công nghệ GSM và CDMA đang dần thay thế các hệ thống mạn

LỜI NÓI ĐẦU

Viễn thông là một lĩnh vực phát triển mạnh mẽ, không chỉ gia tăng về mặt dịch

vụ mà vấn đề công nghệ cũng được quan tâm nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng caocủa người sử dụng Thông tin không dây đang có mặt tại khắp mọi nơi và phát triểnmột cách nhanh chóng, các hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng công nghệ GSM

và CDMA đang dần thay thế các hệ thống mạng điện thoại cố định hữu tuyến.Các hệthống mạng LAN không dây- còn được biết với tên thông dụng hơn là Wi-fi cũng đanghiện hữu trên rất nhiều tòa nhà văn phòng, các khu vui chơi giải trí Trong vài năm gầnđây một hệ thống mạng MAN không dây (Wireless MAN) thường được nhắc nhiềuđến như là một giải pháp thay thế và bổ sung cho công nghệ xDSL là Wimax Wimaxcòn được gọi là Tiêu chuẩn IEEE 802.16, đáp ứng được nhiều yêu cầu kỹ thuật và dịch

vụ khắt khe mà các công nghệ truy nhập không dây thế hệ trước (như Wi-fi vàBluetooth) chưa đạt được như bán kính phủ sóng rộng hơn, băng thông truyền dẫn lớnhơn, số khách hàng có thể sử dụng đồng thời nhiều hơn, tính bảo mật tốt hơn Vớinhưng ưu điểm vượt trội như vậy thì WiMAX được xem là một công nghệ hứa hẹn sẽphát triển mạnh mẽ trong tương lai gần

Mạng Viễn thông Việt Nam trong những năm qua đã có sự phát triển mạnh mẽ,các hệ thống cung cấp dịch vụ truy cập băng rộng đã và đang được triển khai tại hầuhết các tỉnh thành Tuy nhiên, phần lớn vẫn là các hệ thống xDSL cung cấp truy cậphữu tuyến và hệ thống WiFi với phạm vi phục vụ còn rất hạn chế Trong khi đó, nhucầu sử dụng dịch vụ băng rộng lại đang đòi hỏi rất cấp thiết tại nhiều vùng, nhiều khuvực mà các giải pháp hiện có rất khó triển khai hoặc triển khai chậm Để có thể triểnkhai nhanh chóng và hiệu quả hệ thống truy cập băng rộng tại các khu vực này thì việcnghiên cứu triển khai các hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng WiMAX là hết sức cầnthiết

Với mục đích tìm hiểu về công nghệ WiMAX để đánh giá, lựa chọn giải pháp, thiết bị và hệ thống mạng phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, đồ án tốt nghiệp

sẽ gồm 4 chương

Chương 1 Tìm hiểu công nghệ mạng không dây, lợi ích hoạt động của việc

sử dụng mạng, ngoài ra tìm hiểu chi phí đầu tư và các tiêu chuẩn áp dụng chomạng không dây

Chương 2 Giới thiệu tổng quan về hệ thông Wimax, đặc điểm, ưu điểm, nhược điểm

của hệ thống, một số băng tần sử dụng và các chuẩn trong công nghệ Wimax

Chương 3 Tìm hiểu hệ thống bảo mật trong Wimax, các giao thức quản lý khoá PKM,

quá trình thiết lập khoá và trao đổi khoá mã hoá dữ liệu

Chương 4 Nghiên cứu khả năng triển khai và ứng dụng hệ thống Wimax trên mạng

viễn thông Việt Nam

Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của các thầy,

cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn Để hoàn thành đồ án

này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Cô giáo TS Nguyễn Thị

Quỳnh Hoa và các thầy cô giáo trong Khoa Công Nghệ Trường Đại Học Vinh.

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, Ngày 05 Tháng 05 Năm 2010

Sinh Viên

Nguyễn Viết Hoàng

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đứng trước sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ truyền thông băng rộng đang trở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ như truy cập Internet quay số qua modem thoại ADSL hay các đường kênh riêng hoặc sử dụng các hệ thống điện thoại di động hay mạng Wi-

Fi Wimax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế ADSL và Wi-Fi Để tìm hiểu về công nghệ Wimax ta đi sâu nghiêncứu các băng tần, chuẩn các kỹ thuật điều chế OFDM và OFDMA và đặc biệt là bảo mật trong Wimax, từ đó nghiên cứu khã năng triễn khai và ứng dụng hệ thống Wimax trên mạng viễn thông Việt Nam

In the face of ongoing development of science and technology communication

broadband is becoming essential requirements brought many benefits to users, in addition to providing services such as Internet access via modem dial phone ADSL lines or separate channels or use the mobile system or Wi-Fi network Wimax been formed to provide a means to access the wireless Internet can replace synthetic ADSL and Wi-Fi To learn more about Wimax technology we studied in depth bands, the standard modulation technique OFDM and OFDMA, and especially security in

WiMax, which studies the ability to deploy WiMax systems and applications on the network Vietnam Telecommunications

MỤC LỤC

Trang LỜI NÓI ĐẦU……… 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN……… 3

MỤC LỤC……… 4

DANH SÁCH HÌNH VẼ……… 7

DANH SÁCH CÁC BIỂU BẢNG……… 9

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TÁT……… 10

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY……… 15

1.1 Giới thiệu mạng không dây……… 15

1.1.1 Khái niệm mạng không dây……… 15

1.1.2 Lợi ích của việc sử dụng mạng không dây……… 15

1.1.3 Hoạt động của mạng không dây……… 17

1.1.4 Chi phí đầu tư cho mạng không dây……… 18

1.1.5 Các tiêu chuẩn áp dụng cho mạng không dây……… 19

1.2 Wi-Fi……… 19

1.3 Kết luận chương……… 22

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX……… 23

2.1 Tổng quan về Wimax……… 23

2.1.1 Giới thiệu về Wimax……… 23

2.2 Băng tần cho WIMAX……… 25

2.2.1 Băng 3400-3600MHz (băng 3.5GHz)……… 25

2.2.2 Băng 3600-3800MHz……… 25

2.2.3 Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz……… 25

2.2.4 Băng 2500-2690MHz (băng 2.5 GHz……… 25

2.2.5 Băng 2300-2400MHz (băng 2.3 GHz)……… 26

2.2.6 Băng 5725-5850MHz (băng 5.8 GHz)……… 26

2.2.7 Băng dưới 1GHz……… 26

2.3 Các chuẩn trong công nghệ WiMAX……… 27

2.3.1 IEEE 802.16 – 2001……… 27

2.3.2 IEEE 802.16a-2003……… 27

2.3.3 IEEE 802.16c-2002……… 28

2.3.4 IEEE 802.16-2004……… 28

2.3.5 IEEE 802.16e và các chuẩn mở rộng……… 28

2.4 Mô hình ứng dụng WiMAX……… 29

2.4.1 Mô hình ứng dụng cố định……… 29

2.4.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di động……… 30

2.5 Đặc điểm kỹ thuật của công nghệ Wimax……… 30

2.5.1 Kỹ thuật điều chế OFDM……… 32

2.5.1.1 Hoạt động của OFDM……… 34

2.5.1.2 Những ưu điểm của hệ thống OFDM……… 35

2.5.1.3 Nhược điểm của hệ thống OFDM……… 35

2.5.2 Kỹ thuật điều chế OFDMA ……… 36

2.5.2.1 Khái niệm……… 36

2.5.2.2 Đặc điểm……… 36

2.5.2.3 OFDMA nhãy tần……… 37

2.5.2.4 Hệ thống OFDMA……… 39

2.5.3 So sánh OFDM và OFDMA……… 40

2.5.4 Kênh con hóa dải tần số……… 42

2.5.5 Anten cho các ứng dụng vô tuyến cố định……… 42

2.5.6 Phân tập thu phát……… 43

2.5.7 Điều chế thích nghi……… 43

2.5.8 Các kỹ thuật sửa lỗi trước……… 44

2.5.9 Điều khiển công suất……… 44

2.6 Ưu điểm của Wimax……… 45

2.7 Kết luận chương……… 46

CHƯƠNG III: BẢO MẬT TRONG WiMAX……… 47

3.1 Kiến trúc bảo mật chẩn IEEE 802.16……… 47

3.1.1 Giới thiệu……… 47

3.1.2 Kiến trúc bảo mật……… 48

3.1.2.1 Tập hợp bảo mật……… 50

3.1.2.2 Giao thức quản lí khóa PKM cơ bản trong 802.16……… 50

3.1.2.2.1 Cơ bản về PKM……… 52

3.1.2.2.2 Quá trình thiết lập khóa cấp quyền AK……… 54

3.1.2.2.3 Pha trao đổi khóa mã hóa lưu lượng TEK……… 56

3.1.2.2.4 Đồng bộ và thay đổi khóa ……… 57

3.2 Quy trình bảo mật……… 59

3.2.1 Xác thực……… 60

3.2.2 Trao đổi khóa dữ liệu……… 61

3.2.3 Mã hóa dữ liệu……… 63

3.3 Kết luận chương……… 64

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG WIMAX TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM 65 4.1 Giới thiệu chương……… 65

4.2 Nhu cầu và hiện trạng các hệ thống truy nhập băng rộng tại Việt Nam 65

4.2.1 Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam 65

4.2.2 Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam 65

4.2.2.1 Truy nhập băng rộng qua hệ thống cáp hữu tuyến 65

4.2.2.2 Truy nhập băng rộng qua hệ thống vô tuyến 66

4.2.2.3 Truy nhập băng rộng qua vệ tinh 67

4.3 Các mô hình triển khai công nghệ mạng WiMAX 67

4.3.1 Mạng dùng riêng……… 67

4.3.2 Các mạng phục vụ cộng đồng……… 68

4.4 Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 75

4.5 Kết luận chương……… 81

KẾT LUẬN……… 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH SÁCH HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu hình điểm AP làm chức năng repeater……… 16

Hình 1.2 AP thực hiện chia tải (Load Balacing)……… 16

Hình 1.3 Dịch chuyển tốc độ truyền dẫn đảm bảo duy trì kết nối……… 16

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của Access Point……… 17

Hình 1.5 Microcell với Access Point……… 18

Hình 1.6 Card mạng hỗ trợ Mạng không dây sử dụng cho PC và Laptop………

18 Hình 1.7 802.11b là chuẩn cho mạng Wi-Fi……… 19

Hình 2.1 Mô hình truyền thông của WiMAX……… 24

Hình 2.2 Mô hình ứng dụng WiMAX cố định……… 29

Hình 2.3 Mô hình ứng dụng Wimax di đông……… 30

Hình 2.4 So sánh FDM và OFDM……… 33

Hình 2.5 OFDM với 256 sóng mang……… 33

Hình 2.6 Tín hiệu sóng mang cua OFDM……… 34

Hình 2.7 ODFM và OFDMA………. 36

Hình 2.8 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM……… 39

Hình 2.9 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA……… 40

Hình 2.10 So sánh OFDM và OFDMA……… 41

Hình 2.11 Kênh con hóa dải tần số……… 42

Hình 2.12 Kỹ thuật điều chế và bán kính cell……… 44

Hình 3.1 Các lớp giao thức 802.16……… 48

Hình 3.2 Mô hình kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16……… 49

Hình 3.3 Các luồng của giao thức PKM cơ bản……… 53

Hình 3.4 Quy trình bảo mật……… 59

Hình 3.5 Quá trình xác thực SS với BS……… 60

Hình 3.6 Quá trình trao đổi khóa dữ liệu……… 62

Hình 3.7 Định dạng payload trước và sau khi mã hóa……… 63

Hình 4.1 Cellular Backhaul……… 62

Hình 4.2 WSP Backhaul……… 67

Hình 4.3 Mạng ngân hang……… 68

Hình 4.4 Mạng giáo dục……… 68

Hình 4.5 Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng……… 69

Hình 4.6 Sử dụng Wimax cho việc thông tin liên lạc xa bờ………… 70

Hình 4.7 Kết nối nhiều khu vực……… 71

Hình 4.8 Các công trình xây dựng……… 72

Hình 4.9 Các khu vực công cộng……… 73

Hình 4.10 Mạng truy nhập WSP……… 74

Hình 4.11 Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh……… 75

Hình 4.12 Cấu hình thử nghiệm WiMAX của VNPT 77

Hình 4.13 Sơ đồ kết nối tại trạm gốc……… 78

Hình 4.14 Sơ đồ kết nối trạm đầu cuối thuê bao……… 79

DANH SÁCH CÁC BIỂU BẢNG Bảng 1 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA……… 37

Bảng 2 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian………

38 Bảng 3 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau……… 39

Bảng 4 Các thống số kỹ thuật thiết bị WiMAX thử nghiệm tại Lào Cai……… 80

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAA Authentication Authorizaton

and Account

Nhận thực, cấp quyền và tài khoản

ACL Access Control List Danh sách điều khiển truy nhập

AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao

ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ

BPI Baseline Privacy Interface Giao diện cá nhân đường cơ sở

BSD Berkeley Software Distribution Phân phối phần mềm Berkeyley

CCM cryptographic block ciphers

mode

Chế độ mã hóa khối

CCMP Counter Code with Cipher

Block Chaining Message Authentication Code Protocol

Giao thức mã nhận thực bản tin chuỗi

mã được bao bọc bởi khối mã hoá

CGI Computer-generated imagery Phần mở rộng của máy

CID Card Identification Number Số xác nhận card

CHAP Challenge-Handshake

Authentication Protocol

Giao thức xác thực bắt tay yêu cầu

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

DCD Downlink Channel Descriptor Nhận dạng kênh đường xuống

DES Data Encryption Standard Tiêu chuẩn Mã hóa Dữ liệu

DHCP Dynamic Host Configuration

Protocol

Giao thức cấu hình Host động

DOCSIS Data Over Cable Service

Interface Specifications

Đặc điểm kỹ thuật giao diện dịch vụ dữ

liệu truyền qua cápDoS Denial-of-Services Từ chối các dịch vụ

DSL Digital subscriber line Đường dây thuê bao số

EAK Extensible Authentication Key Khoá xác thực mở rộng

EAP Extensible Authentication

Protocol

Giao thức xác thực mở rộng

EAPOL Extensible Authentication

Protocol over LANs

Giao thức xác thực mở rộng qua mạng

LAN

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tải tập tin

GAK Group Authorization Key Khoá được cấp phép nhóm

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GTEK Group Traffic Encryption Key Khoá mã hoá lưu lượng nhóm

ICV Integrity check value Giá trị kiểm tra toàn vẹn

Viện kĩ thuất điện-điện tử thế giới

IKE Internet Key Exchange Trao đổi khoá internet

ISAKMP Internet Security Association

and Key Management Protocol

Giao thức kết hợp bảo mật Internet và

quản lý khoá

KDF Kraft durch Freude

KSA Key Schedule Algorithm Thuật toán lập lịch khoá

HMAC Hash Message Authentication

Code

Mã hóa xác thực băm bản tin

HMACMD5 Hash-based Message

Authentication Code use Message Digest 5

Mã xác thực bản tin lỗi cơ sở sử dụng

thuật toán băm bản tin 5

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phương tiệnMANET Mobile Ad- hoc Network Mạng Ad- hoc di động

MBS Multicast and Broadcast

service

Dịch vụ Multicast và Broadcast

MD4/5 Message Digest 4/5 Thuật toán phân loại bản tin 4/5

MIC Message Integrity Check Kiểm tra tính toàn vẹn của bản tinMID Mobile Internet Device Thiết bị internet di động

MIP Mobile Internet Protocol Giao thức Internet cho di động

MPDU MAC Protocol Data Unit Khối dữ liệu giao thức MAC

MPR Minnesota Public Radio

MSID Mobile station ID ID của trạm di động

MSS Mobile Subscriber Station Trạm thuê bao đi động

NAS Network Access Server Máy chủ truy cập mạng máy tínhNIC Network Information Centre Trung tâm thông tin mạng

NIST National Institute of Standards

and Technology

Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc

giaNSA National Security Agency Cơ quan bảo mật quốc gia

OCSP Optimized Link State Routing Giao thức trạng thái chứng nhận trực

tuyếnOFDM Orthogonal Frequency-Division

Multiplexing

Đa phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency-Division

Multiplexing Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

OTP One Time Password Sử dụng mật khẩu một lần

PAP Password Authentication

Protocol

Giao thức xác thực mật khẩuPCMCIA Personal Computer Memory Kết hợp card nhớ máy tính cá nhân toàn

Card International Association cầuPDU Packet Data Unit Đơn vị gói dữ liệu

PKI Public Key Infrastructures Hạ tầng khoá công khai

PKM Privacy Key Management Quản lý khoá bí mật

Pre-AK Previous Authorization Key Khoá được cấp phép trước

PRF Password Request Form Yêu cầu mật khẩu

PRGA Psuedo Random Generation

Algorithm

Thuật toán sinh ngẫu nhiên

PRGN Pseudo-Random Number

Generator

Bộ phát sinh số giả ngẫu nhiên

RA Require Authentication Nhận thực yêu cấu

RADIUS Remote Authentication Dial-In

User Service

Dịch vụ người sử dụng quay số nhận thực từ xa

RARP Address Resolution Protocol Giao thức chuyển từ MAC Address

sang IP AddressRC4 Redundant Check 4 Kiểm tra tính dư thừa 4

RSNA Robust security network

association

Liên mạng bảo mật mạnh mẽ

RNG-REQ Ranging Request Yêu cầu sắp xếp

ROC Receiver Operating

Characteristic

Đặc điểm hoạt động của phía thu

RSNA Radiological Society of North

America

Hiệp hội vô tuyến của Bắc Mỹ

SA Security Associations Kết hợp bảo mật

SAID Security Associations Identify Nhận dạng kết hợp bảo mật

SHA Secure Hash Algorithm Thuật toán làm hỏng bảo mật

SSID Service Set Identifier Định danh mạng

SSL Secure Socket Layers Lớp lỗ bảo mật

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận

TEK Traffic Encryption Key Khoá mã hoá lưu lượng

TFTP Trivial File Tranfer Protocol Giao thức truyền file tầm thường TKIP Temporal Key Integrity

Protocol

Giao thức toàn vẹn khóa thời gianTLS Transparent LAN Service Dịch vụ mạng LAN trong suốt

UCD Uplink Channel Descriptor Nhận dạng kênh đường lên

UDP User Datagram Protocol Giao thức datagram của người sử dụngUNII Unlicensed National

Information Infrastructure

Tổ chức thông tin quốc gia không được cấp giấy phép

VLAN Virtual local Area network Mạng nội hạt ảo

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WEP Wired Equivalent Privacy Bảo mật tương đương mạng đi dâyWIFI Wireless Fidelity Mạng không dây tin cậy

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WPA Wireless Protected Access Truy nhập an toàn mạng không dây

CHƯƠNG I TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng không dây

1.1.1 Khái niệm mạng không dây

Mạng không dây (Wireless Network) là một hệ thống các thiết bị được nhóm lạivới nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng radio thay vì các đường truyền dẫnbằng dây Mạng không dây thực sự đang thay thế cho mạng máy tính có dây, cung cấpkhả năng xử lý linh động hơn và tự do hơn cho các hoạt động kinh doanh

1.1.2 Lợi ích của việc sử dụng mạng không dây

Với mạng không dây, người dùng truy nhập vào thông tin chia sẻ không cần hệthống dây để kết nối, không cần lắp đặt hoặc di chuyển dây khi người quản trị mạngthiết lập mở rộng mạng So với mạng LAN truyền thống, mạng không dây có các ưuđiểm nổi trội về hiệu suất, sự tiện lợi và chi phí xây dựng không yêu cầu quá trình lắpđặt cáp tốn kém và mất nhiều thời gian

 Hạ thấp chi phí triển khai: mặc dù đầu tư ban đầu về phần cứng có thể cao hơnmạng có dây, tuy nhiên xét chi phí tổng thể và chi phí theo tuổi thọ có thể thấphơn đáng kể Về lâu dài, Mạng không dây sẽ đem lại lợi ích rất lớn trong cácmôi trường động yêu cầu sự di chuyển và thay đổi nhiều

 Mạng không dây có thể cho phép người dùng truy cập thông tin mà không phảitìm kiếm các vị trí có kết nối mạng qua Ethernet, do vậy sẽ tăng được năngsuất lao động

 Khả năng mở rộng: hệ thống Mạng không dây có thể cấu hình trong nhiều môhình để đáp ứng các ứng dụng và cấu hình đặc thù dễ dàng thay đổi và phạm vi

từ mạng điểm - điểm xây dựng cho số nhỏ người dùng đến các mạng phối hợpvới hàng ngàn người dùng cho phép chuyển vùng trên phạm vi rộng Hơn thếnữa, đối với các vị trí xa, ngoài vùng phủ sóng của một thiết bị AP, có thể sửdụng thêm một thiết bị AP, được cấu hình đóng vai trò thiết bị chuyển tiếp(repeater) để mở rộng vùng liên lạc của mạng không dây nó được thể hiện hình

1.1 [1]

Hình 1.1 Cấu hình điểm AP làm chức năng repeater

 Khả năng phân tải và dịch chuyển tốc độ truyền dẫn

 Hỗ trợ khả năng chia tải nếu xảy ra nghẽn mạng tại một thời điểm nhất định

Hình 1.2 AP thực hiện chia tải (Load Balacing)

 Cung cấp tính năng tự động điều chỉnh tốc độ truyền dẫn đảm bảo tính liên tụccủa kết nối với mạng

Hình 1.3 Dịch chuyển tốc độ truyền dẫn đảm bảo duy trì kết nối

Các tốc độ này có thể thay đổi giữa các tốc độ 1Mbps, 2Mbps, 5,5Mbps và11Mbps Trên cơ sở đó có thể tạo ra các vùng bao phủ của thiết bị mạng Mạngkhông dây cho các tốc độ yêu cầu khác nhau, như trong hình trên

 Tính năng lọc gói, World Mode, dự phòng, phân tải và tính năng quản lý tiêntiến

1.1.3 Hoạt động của mạng không dây

Trong một mô hình mạng không dây điển hình, bộ chuyển đổi (hay còn gọi là điểmtruy cập) sẽ kết nối tới mạng có dây từ một vị trí cố định thông qua cáp Ethernet chuẩn.Điểm truy cập nhận, lưu trữ tạm (buffer) và truyền dữ liệu giữa các thành phần (đốitượng) của mạng không dây (máy tính xách tay, máy in, thiết bị cầm tay hoặc bất cứmột thiết bị không dây nào) với kiến trúc mạng có dây Một điểm truy cập đơn có thể

hỗ trợ một nhóm nhỏ người dùng, và có vùng phủ sóng trong khoảng chu vi từ 10mđến hơn 100m Điểm truy cập có thể được lắp đặt tại bất cứ vị trí nào miễn là độ phủsóng phải được đảm bảo Các thiết bị Access Point, đóng vai trò một thiết bị truy nhậpmạng LAN sử dụng vô tuyến, cho phép các thiết bị mạng như PC, Laptop… truy nhậpvào mạng như mạng LAN thông thường Mỗi máy tính PC, Laptop được trang bị mộtCard mạng được hỗ trợ truy nhập vô tuyến sẽ thực hiên việc kết nối với mạng thôngqua AP Nó được mô tả ở hình 1.4

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của Access Point

Người dùng được trang bị thiết bị cầm tay hoặc máy tính xách tay có thể truyền dữliệu tới điểm truy cập khi đang trong vùng phủ sóng của thiết bị mà không cần sử dụngcác dây mạng Ngoài ra, khả năng chạy dự phòng của các thiết bị mạng không dây chophép các máy tính có thể vừa di chuyển vừa kết nối mạng mà không ảnh hưởng đếnchất lượng của kết nối Thiết bị không dây có thể giao tiếp với hệ điều hành mạng

thông qua các card điều hợp không dây (thường là card giao diện mạng – NIC) [1]

sẽ không phải tốn quá nhiều công sức lao động vì không dính dáng nhiều tới dây cáptruyền dữ liệu Tương tự, quá trình di chuyển, bổ sung và sửa đổi đối với mạng khôngdây cũng đơn giản hơn, và do đó có thể giảm được giá thành lao động

Hình 1.6 Card mạng hỗ trợ Mạng không dây sử dụng cho PC và Laptop 1.1.5 Các tiêu chuẩn áp dụng cho mạng không dây

Viện Kỹ Sư Điện và Điện tử (IEEE) đã đưa ra tiêu chuẩn đầu tiên 802.11 địnhnghĩa cho mạng LAN không dây Mặc dù từ lâu hệ thống truyền dữ liệu không dây đãđược ứng dụng, nhưng tiêu chuẩn 802.11 đã mở cửa cho các doanh nghiệp triển khai và

sử dụng mạng LAN không dây trong các toà nhà và giữa các toà nhà có khoảng cáchgần nhau

Hình 1.7 802.11b là chuẩn cho mạng Wi-Fi

Có rất nhiều nhãn hiệu như 802.11a, 802.11b… đang được các hãng sử dụng nên

dễ bị nhầm với tiêu chuẩn 802.11 gốc Tuy nhiên, thứ tự các chữ cái không phù hợpvới thứ tự mà sản phẩm được giới thiệu Ví dụ, các sản phẩm 802.11b được đưa ra thịtrường vào năm 2000 và 2001, trong khi các sản phẩm 802.11a được đưa ra vào đầunăm 2002

1.2 Wi-Fi

WiFi – Wireless Fidelity là tên gọi mà các nhà sản xuất đặt cho một chuẩn kết nốikhông dây (IEEE 802.11), công nghệ sử dụng sóng radio để thiết lập hệ thống kết nốimạng không dây Đây là công nghệ mạng được thương mại hóa tiên tiến nhất thế giớihiện nay

Một mạng Internet không dây WiFi thường gồm 3 bộ phận cơ bản: Điểm truy cập(Access Point – AP), Card giao tiếp mạng (Network Interface Card – NIC), và bộ phận

thu phát, kết nối thông tin tại các nút mạng gọi là Wireless CPE (Customer PremierEquipment) Trong đó, Access Point đóng vai trò trung tâm của toàn mạng, là điểmphát và thu sóng, trao đổi thông tin với tất cả các máy trạm trong mạng, cho phép duytrì kết nối hoặc ngăn chặn các máy trạm tham gia vào mạng Một Access Point có thể

cho phép tới hàng ngàn máy tính trong vùng phủ sóng truy cập mạng cùng lúc [2]

Tới nay, Viện Kỹ Thuật Điện và Điện Tử của Mỹ (Institute of Electrical andElectronic Engineers - IEEE) đã phát triển nhiều chỉ tiêu kỹ thuật cho mạng LANkhông dây, nhưng trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này em chỉ xin giới thiệu một sốchuẩn phổ biến của 802.11 gồm:

+ 802.11b: IEEE802.11b là chuẩn WiFi hoạt động ở dải tần ISM 2.4Ghz với tốc độ

11Mbps, được phê chuẩn vào cuối năm 1999 Đây là một bổ sung quan trọng nhất củachuẩn 802.11 802.11b chỉ định 3 kênh radio không phủ chồng, mặc dù trên thực tếkhách hàng được giới thiệu có thể sử dụng tới 11 kênh, mỗi kênh phủ chồng lên một sốkênh khác Tốc độ tối đa là 11 Mbps/1 kênh Tuy nhiên, tốc độ 11Mbps chỉ mang tínhchất lý thuyết đơn thuần: WiFi chỉ có thể đạt được tốc độ 7Mbps thông lượng do cácvấn đề về đồng bộ và ACK overhead Chuẩn 802.11b có tốc độ truyền dẫn thấp nhất(11Mbps) nhưng lại được dùng phổ biến nhất trong các môi trường sản xuất, kinhdoanh, dịch vụ do chi phí mua sắm thiết bị thấp, tốc độ truyền dẫn đủ đáp ứng các nhucầu trao đổi thông tin trên Internet như duyệt Web, Email, Chat, nhắn tin,

+ 802.11g: IEEE802.11 Task Group G (TG g) thông qua bản đồ án đầu tiên vào

tháng 11-2001 sau một thời gian dài thảo luận giữa một bên là những người ủng hộPBCC (Packet Binary Convolution Coding - một kỹ thuật điều chế đơn sóng mang đềxuất bởi Texas Instruments) và những người ủng hộ OFDM (kỹ thuật điều chế đa sóngmang do Intersil đề xuất) Chuẩn 802.11g khi hoàn thiện đã mở rộng họ các chuẩn802.11 với tốc độ dữ liệu lên tới 54Mbps trong dải 2.4Ghz Đồ án này dựa trên cáccông nghệ CCK, OFDM, và PBCC Chuẩn 802.11g có tốc độ truyền dẫn cao(54Mbps), thích hợp cho hệ thống mạng có lưu lượng trao đổi dữ liệu cao, dữ liệu luânchuyển trong hệ thống là những tập tin đồ họa, âm thanh, phim ảnh có dung lượng lớn.Tần số phát sóng của chuẩn 802.11g trùng với tần số phát sóng của chuẩn 802.11b

(2,4GHz) nên hệ thống mạng chuẩn 802.11g giao tiếp tốt với mạng máy tính đang sửdụng chuẩn 802.11b Tuy nhiên, chi phí trang bị cho một hệ thống kết nối không dâytheo chuẩn 802.11g cao hơn 30% so với chi phí trang bị cho một hệ thống không dâytheo chuẩn 802.11b

+ 802.11a: 802.11a Task Group (TG a) hoạt động ở dải 5Ghz Vì tần số hoạt

động của chuẩn này cao hơn so với các chuẩn 802.11b, 802.11g nên 802.11a có cự lytruyền ngắn hơn Để giải quyết vấn đề này, 802.11a sử dụng các cơ chế mã hóa dữ liệuhiệu quả hơn và mạnh hơn Dải tần số càng cao sẽ có thuận lợi là không nằm trong dải2.4Ghz với nhiều thiết bị khác cùng hoạt động như điện thoại kéo dài, Bluetooth và lò

vi sóng Ưu điểm chính của chuẩn này là tốc độ: dải phổ của 802.11a được chia thành

8 phân đoạn mạng con hay 8 kênh 20Mhz Mỗi kênh này sẽ đảm trách một số nodemạng Những kênh được tạo thành bởi 52 sóng mang 300Khz và có thể biểu thị tối đa54Mbps Tốc độ này đưa WLAN từ Ethernet thế hệ đầu 10Mbps tới thế hệ thứ 2, FastEthernet 100Mbps

Các chỉ tiêu của chuẩn này dựa trên mô hình điều chế OFDM Hệ thống RF hoạt độngtại các dải tần 5.15-5.25, 5.25-5.35Ghz và dải UNII như 5.725-5.825Ghz Hệ thốngOFDM có thể hỗ trợ 8 tốc độ dữ liệu khác nhau từ 6-54Mbps Chuẩn này sử dụng các

mô hình điều chế BPSK, 16-QAM và 64-QAM cùng với mã hóa sửa lỗi trước - FEC(Foward Error Correcting) Một điều quan trọng cần phải nhớ là 802.11b hoàn toànkhông tương thích với 802.11a

+ 802.11e: 802.11e Task Group (TG e) đang tiến hành hỗ trợ chất lượng dịch vụ

(chẳng hạn như để truyền thoại) Mục đích là để tăng cường lớp MAC 802.11 hiện tại

để mở rộng hỗ trợ cho các ứng dụng LAN với yêu cầu QoS, cải thiện về bảo mật, khảnăng cũng như về tính hiệu quả của giao thức Những cải tiến này cùng với những cảithiện gần đây về tính năng của lớp PHY từ chuẩn 802.11a và 802.11b sẽ làm tăng hiệuquả hoạt động của toàn bộ hệ thống và mở rộng ứng dụng cho 802.11 Các ứng dụngchẳng hạn như truyền thoại, audio và video qua mạng vô tuyến 802.11, videoconferencing, phân phối luồng phương tiện, các ứng dụng bảo mật tăng cường và cácứng dụng truy cập di động

+ 802.11d: IEEE 802.11d Task Group (TG d) mô tả một giao thức cho phép các

thiết bị 802.11 nhận thông tin điều khiển cần cho việc cấu hình thiết bị đúng cách để cóthể hoạt động tại bất kỳ đâu trên trái đất Chuẩn 802.11 hiện tại chỉ định nghĩa hoạtđộng trong một số ít các miền điều khiển (quốc gia) Sự bổ sung này sẽ thêm các yêucầu và các định nghĩa cần thiết để cho phép các thiết bị 802.11 WLAN hoạt động tạinhững nơi không hỗ trợ chuẩn hiện tại

+ 802.11i: 802.11i tăng tính bảo mật cho 802.11 Tiêu chuẩn này sẽ thay thế WEP

(Wired Equipvalent Privacy - Bảo mật tương đương hữu tuyến) và được xây dựng dựatrên IEEE 802.1X Có thể kiểm tra: TKIP (Giao thức tích hợp khóa tam thời), đồng bộhóa các thay đổi khóa giữa các khách hàng và APs, AES (Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến) Các ứng dụng mạng LAN, hệ điều hành hoặc giao thức mạng, bao gồm cả TCP/IP,

có thể chạy trên mạng không dây WLAN (Wireless Local Area Network) tương thíchchuẩn 802.11 dễ dàng mà không cần tới hệ thống cáp dẫn phức tạp

WiFi đặc biệt thích hợp cho nhu cầu sử dụng di động và các điểm truy cập đôngngười dùng Nó cho phép người sử dụng truy cập mạng giống như khi sử dụng côngnghệ mạng máy tính truyền thống tại bất cứ thời điểm nào trong vùng phủ sóng Thêmvào đó, WiFi có độ linh hoạt và khả năng phát triển mạng lớn do không bị ảnh hưởngbởi việc thay đổi lại vị trí, thiết kế lại mạng máy tính Cũng vì là mạng không dây nênWiFi khắc phục được những hạn chế về đường cáp vật lý, giảm được nhiều chi phí

triển khai thi công dây mạng và không phải tác động nhiều tới cơ sở hạ tầng [4]

1.3 Kết luận chương

Qua tìm hiểu những phần trình bày ở trên giúp ta hiểu được thế nào là mạngkhông dây, lợi ích của việc sử dụng mạng không dây và hoạt động của nó trong thực tế.trong mạng không dây có rất nhiều ví dụ như Wifi, Wlan, Wimax… Để hiểu rỏ hơn vềmạng không dây này ta đi sâu tìm hiểu về công nghệ Wimax sẻ được trình bày ởchương tiếp theo

CHƯƠNG II

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX 2.1 Tổng quan về Wimax

2.1.1 Giới thiệu về WiMAX

Wimax tên viết tắt của (Worldwide Interoperability for Microwave Access- Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba), là công nghệ dựa trên cơ sở tiêu chuẩn

kỹ thuật IEEE 802.16-2004 Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác802.16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802, và Diễn đàn WiMAX

Tổ chức phi lợi nhuận WiMAX bao gồm các công ty sản xuất thiết bị và linh kiệntruyền thông hàng đầu thế giới đang nỗ lực thúc đẩy và xác nhận tính tương thích vàkhả năng hoạt động tương tác của thiết bị truy cập không dây băng thông rộng tuântheo chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16 và tăng tốc độ triển khai truy cập không dây băngthông rộng trên toàn cầu Do đó các chuẩn 802.16 thường được biết đến với cái tênWiMAX

Chuẩn IEEE 802.16 đầu tiên được hoàn thành năm 2001 và công bố vào năm 2002thực sự đã đem đến một cuộc cách mạng mới cho mạng truy cập không dây Nếu nhưWireless LAN đuợc phát triển để cung cấp dịch vụ truy nhập Internet cho mạng LANkhông dây, nâng cao tính linh hoạt của truy nhập Internet cho những vùng tập trungđông dân cư trong những phạm vi hẹp thì với WiMAX ngoài khả năng cung cấp dịch

vụ ở vùng đô thị nó còn giải quyết được những vấn đề khó khăn trong việc cung cấpdịch vụ Internet cho những vùng thưa dân, ở những khoảng cách xa mà công nghệxDSL sử dụng dây đồng không thể đạt tới

WiMAX cũng là một sự phát triển kế tiếp từ dịch vụ cung cấp băng thông giữaLAN nâng cấp lên mạng WAN WiMAX sử dụng chuẩn kết nối 802.16 có nhiều đặcđiểm nổi trội hơn về tốc độ, phạm vi phủ sóng so với chuẩn kết nối không dây hiện nay

là 802.11 Không giống như chuẩn 802.11 chỉ có thể phủ sóng trong một khu vực nhỏ,WiMAX có thể phủ sóng một vùng rộng tới 50 km với tốc độ lên đến 70Mbps.WiMAX cung cấp truy nhập băng rộng không dây cố định theo hai phương pháp điểm

- điểm (Point to Point ) hoặc điểm - đa điểm (Point to multipoint) [2]

Hình 2.1 Mô hình truyền thông của WiMAX

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

độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyểnbằng đường truyền thẳng LOS (Line of Sigh) và chính vì vậy WiMax có thể phủ sóng tớinhững vùng rất xa

Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳnghoặc là 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 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giaothoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn Đối với trườnghợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ở WiFi, ởtần 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

WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng cóthể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể

di chuyển với tốc độ đi bộ) và cuối cùng là di động mà không cần thiết ở trong Tầmnhìn thẳng (Line-of-Sight) trực tiếp tới một trạm gốc Hiện tại công nghệ WiMAXđang được kết hợp vào trong các máy tính xách tay và các PDA

2.2 Băng tần cho WIMAX [2]

Các băng được WiMax Forum tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý tần

số các nước phân bổ cho WiMax là:

2.2.1 Băng 3400-3600MHz (băng 3.5GHz)

Băng 3.5Ghz là băng tần đó được nhiều nước phân bổ cho hệ thống truy cập khôngdây cố định (Fixed Wireless Access – FWA) hoặc cho hệ thống truy cập không dâybăng rộng (WBA) WiMax cũng được xem là một công nghệ WBA nên có thể sử dụngbăng tần này cho WiMax Vì vậy, WiMax Forum đã thống nhất lựa chọn băng tần nàycho WiMax

Các hệ thống WiMax ở băng tần này sử dụng chuẩn 802.16-2004 để cung cấp cácứng dụng cố định và nomadic, độ rộng phân kênh là 3.5MHz hoặc 7MHz, chế độ songcông TDD hoặc FDD

Đối với Việt Nam, do băng tần này được ưu tiên dành cho hệ thống vệ tinh Vinasat

nên hiện tại không thể triển khai cho WiMax [2]

2.2.2 Băng 3600-3800MHz

Băng 3600-3800MHz được một số nước châu Âu xem xét để cấp cho WBA Tuynhiên, do một phần băng tần này (từ 3.7-3.8GHz) đang được nhiều hệ thống vệ tinh

2.2.4 Băng 2500-2690MHz (băng 2.5 GHz)

Băng tần này là băng tần được WiMax Forum ưu tiên lựa chọn cho WiMax diđộng theo chuẩn 802.16-2005 Có hai lý do cho sự lựa chọn này Thứ nhất, so với cácbăng trên 3GHz điều kiện truyền sóng của băng tần này thích hợp cho các ứng dụng diđộng Thứ hai là khả năng băng tần này sẽ được nhiều nước cho phép sử dụng WBAbao gồm cả WiMax WiMax ở băng tần này có độ rộng kênh là 5MHz, chế độ songcông TDD, FDD

Quy hoạch phổ vô tuyến điện quốc gia được Thủ tướng Chính phủ phê duyệtcuối năm 2005 đã quy định băng tần 2500-2690 MHz sẽ được sử dụng cho các hệthống thông tin di động thế hệ mới, không triển khai thêm các thiết bị khác trong băngtần này Vì vậy, có thể hiểu công nghệ WiMax di động cũng là một đối tượng của quyđịnh này, nhưng băng tần này sẽ được sử dụng cho loại hình công nghệ cụ thể nào vẫncòn để mở

2.2.6 Băng 5725-5850MHz (băng 5.8 GHz)

Băng tần này được WiMax Forum quan tâm vì đây là băng tần được nhiều nướccho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn

2.2.7 Băng dưới 1GHz:

Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốc cần sửdụng càng ít, tức mức đầu tư cho hệ thống thấp đi Vì vậy, WiMax Forum cũng đangxem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới 1GHz, đặc biệt là băng 700-800MHz.Hiện nay, một số nước đang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hình tương tựsang truyền hình số, nên sẽ giải phúng được một phần phổ tần sử dụng choWBA/WiMax

Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phương nên các kênhtrong giải 470-806MHz dành cho truyền hình được sử dụng dày đặc cho các hệ thống

truyền hình tương tự.[2]

2.3 Các chuẩn trong công nghệ WiMAX

Ban đầu chuẩn IEEE 16 chỉ có một sự đặc tả lớp MAC Sau một loạt những nghiêncứu đã đưa thêm vào nhiều sự khác biệt về những đặc tả lớp vật lý (PHY) như những

sự chỉ định trải phổ mới, cả cấp phép và không cấp phép, đã trở nên có giá trị Dướiđây trình bày bản tóm tắt ngắn gọn các chuẩn 802.16 tiêu biểu, về những sự mở rộngkhác nhau và các dải tần của họ chuẩn IEEE 802.16

2.3.1 IEEE 802.16 - 2001

Những đặc tả ban đầu của chuẩn IEEE 802.16 đã định nghĩa lớp MAC và PHY cókhả năng cung cấp truy nhập băng rộng không dây cố định ( Fixed Wireless Access)theo mô hình điểm - điểm và điểm - đa điểm Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giaodiện không gian cho những tần số trong băng tần 10 – 66 GHz Với phương pháp điềuchế đơn sóng mang 802.16 hỗ trợ cả hai phương pháp song công phân chia theo thờigian TDD (Time Division Duplexing) hay phân chia theo tần số FDD (FrequencyDivision Duplexing)

Trạm thuê bao (Subscriber Stations - SS) có thể thương lượng về độ rộng dải tầnđược 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 (frame) này tới khung khác, hay từ SS này tới SS kháctuỳ thuộc vào tình trạng của kết nối Khả năng thay đổi phương pháp điều chế vàphương pháp sửa lỗi không lần ngược FEC (forward error correction) theo các điềukiện truyền dẫn hiện thời cho phép mạng thích ứng nhanh chóng với điều kiện thời tiết,

như fading do mưa.[2]

2.3.2 IEEE 802.16a-2003

Năm 2003, IEEE đưa ra chuẩn không dây 802.16a để cung cấp khả năng truy cậpbăng rộng không dây ở đầu cuối và điểm kết nối bằng băng tần 2-11 GHz với khoảngcách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nối điểm điểm và 7-10 kmtrong trường hợp kết nối từ điểm- đa điểm Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70 Mbps.Cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng, tránh được tácđộng của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa

IEEE 802.16a bao gồm cả đặc tả lớp PHY và cải tiến lớp MAC cho khả năngtruyền dẫn đa đường và giảm tối đa nhiễu Các đặc tính được thêm vào cho phép sửdụng kỹ thuật quản lý năng lượng cao cấp hơn, và dăy anten thích ứng Phương phápdồn kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing OFDM) cung cấp thêm một sự lựa chọn cho phương pháp điều chế đơnsóng mang Để cung cấp một kỹ thuật giảm thiểu can nhiễu trong các mạng không dâyhiện nay, IEEE 802.16a cũng định nghĩa thêm phương pháp điều chế đa truy nhập phânchia theo tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)trong phạm vi dải tần 2 - 11 GHz Vấn đề bảo mật cũng được cải tiến, với rất nhiều đặctrưng lớp con riêng biệt được đưa thêm vào

IEEE 802.16a cũng đưa thêm các tuỳ chọn hỗ trợ cho mạng Mesh, ở những nơi màlưu lượng có thể được định tuyến từ SS tới SS Đây là sự thay đổi từ chế độ PMP, khi

mà lưu lượng chỉ được phép truyền giữa BS và SS [2]

2.3.3 IEEE 802.16c-2002

Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002 Bản cập nhật đã sửa một sốlỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban đầu và thêm vào một số profiles hệ thốngchi tiết cho dẩi tần 10 – 66 GHz

2.3.5 IEEE 802.16e và các chuẩn mở rộng

Đây là phiên bản phát triển dựa trên việc nâng cấp 802.16-2004 nhằm hỗ trợ thêmcho các dịch vụ di động Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA (ScalableOrthogonal Frequency Division Multiplexing Access), kỹ thuật điều chế đa sóng mang

sử dụng kênh phụ WiMAX Forum đưa ra băng tần sử dụng cho 802.16e là 2.3GHz,2.5GHz và 3,5GHz

Phiên bản đầu tiên 802.16a có triển vọng được sử dụng trong các kết nối khôngdây cố định thì các phiên bản kế tiếp 802.16 e,f,g được dự kiến cung cấp kết nối chocác thiết bị di động - máy tính xách tay và điện thoại di động Người ta cho rằng côngnghệ này sẽ cạnh tranh với xDSL, cáp và UMTS (Universal Mobile -

Telecommunications Systems) hoặc các chuẩn điện thoại di động thế hệ thứ ba.[2]

2.4 Mô hình ứng dụng WiMAX

Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng:

- Mô hình ứng dụng cố định

- Mô hình ứng dụng di động

2.4.1 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)

Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004

Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các antenđặt cố định tại nhà các thuê bao Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương tự nhưchảo thông tin vệ tinh Nó được thể hiện ở hinh 2.2

Hình 2.2 Mô hình ứng dụng WiMAX cố định

Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiêntín hiệu thu không khỏe bằng anten ngoài trời Băng tần công tác (theo quy định vàphân bổ của quốc gia) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz Độ rộng băng tầng là 3,5MHz.Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nối không dây đến các modem cáp,đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch)

và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang) Sơ đồ kết cấu mạng WiMAX được đưa ratrên hình trên Trong mô hình này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc WiMAX BS(làm việc với anten đặt trên tháp cao) và các trạm phụ SS (SubStation) Các trạm

WiMAX BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN [4]

WiMax đã được tiêu chuẩn hóa ở IEEE 802.16 Hệ thống này là hệ thống đa truycập không dây có các đặc điểm sau:

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

- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbps

- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳngLOS (Line of Sigh) và đường truyền che khuất NLOS (Non line of Sigh)

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

- Trong WiMax hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống.Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệOFDM để truyền OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang,trong đó 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con,

mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang WiMax sử dụng điều chếnhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với cácphương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi ReedSolomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8

- Độ rộng băng tần của WiMax từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thànhnhiều băng con 1,75MHz Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờcông nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời mộthay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băngtần Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA (OFDMAccess)

- Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (Time Division Duplexing) vàFDD (Frequency Division Duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn củahướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink)

- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được chia thành 4 lớp: Lớp con tiếpứng (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớptrên, lớp đa truy nhập (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 [2]

Công nghệ WIMAX có những ưu điểm trên và có thể giải quyết những vấn đề nảy sinhtrong môi trường truyền sóng NLOS nhờ sử dụng:

+ Kỹ thuật điều chế OFDM và OFDMA

+ Kênh con hóa dải tần số+ Anten định hướng+ Phân tập thu phát+ Điều chế thích nghi+ Các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi trước+ Điều khiển công suất

2.5.1 Kỹ thuật điều chế OFDM

Một trong những thách thức của thị trường Truy nhập không dây băng rộng hiện nay

là khả năng triển khai và vận hành các hệ thống không dây trong khi vẫn đảm bảo hoạtđộng tốt, tốc độ dữ liệu cao trong nhiều khu vực có địa hình khác nhau Yếu tố tác độngđến hoạt động của các hệ thống vô tuyến chính là các chướng ngại vật tự nhiên và nhântạo Đó là thách thức đối với các nhà vận hành mạng hiện nay cho dù trong điều kiệnNLOS (Non-Line-of-Sight) hay đa đường (Multipath) Công nghệ OFDM sẽ giải quyếtnhững vấn đề này

OFDM không phải là một công nghệ mới, nó là một sự cải tiến công nghệ đượcthương mại hóa và đã đáp ứng được nhu cầu của thị trường OFDM tạo nên một nềntảng vững chắc cho các kế hoạch mạng của các nhà điều hành viễn thông để có thể thuđược lợi nhuận từ một số lượng khách hàng đông đảo

Công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao), dựa vào FDM làcông nghệ mà sử dụng nhiều tần số để truyền đồng thời nhiều tín hiệu song song, tăngtốc độ truyền dẫn Mỗi tín hiệu có dải tần số riêng (sóng mang con) mà sau đó đượcđiều chế theo dữ liệu Mỗi sóng mang con được tách biệt bởi một dải bảo vệ để đảmbảo rằng chúng không chồng lên nhau Những sóng mang này sau đó được giải điềuchế ở máy thu sử dụng các bộ lọc để tách riêng các dải OFDM tương tự với FDMnhưng hiệu quả phổ lớn hơn bởi khoảng cách các kênh con khép gần hơn (cho đến khichúng thực sự chồng nhau) Điều này được thực hiện bởi tìm các tần số mà chúng trựcgiao, có nghĩa là chúng vuông góc theo cảm nhận toán học, cho phép phổ của mỗi dảithông con được giảm đáng kể bằng cách di chuyển các dải bảo vệ và cho phép các tínhiệu chồng nhau Để giải điều chế tín hiệu, cần một bộ biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

So sánh FDM và OFDM được minh họa trên hình 2.4 [3]

Hình 2.4 So sánh FDM và OFDM

Trong OFDM chúng ta có 256 sóng mang với 192 sóng mang con dữ liệu, 8sóng mang con pilot

Hình 2.5 OFDM với 256 sóng mang

Các sóng mang con pilot cung cấp một tham chiếu để tối thiểu những dịchchuyển tần số và pha trong thời gian truyền trong khi các sóng mang null cho phép cáckhoảng bảo vệ và sóng mang DC (tần số trung tâm) Tất cả các sóng mang con đượcgửi ở cùng thời gian

OFDM nén nhiều sóng mang được điều chế chặt chẽ cùng nhau, giảm dải thôngyêu cầu nhưng giữ các tín hiệu được điều chế trực giao để chúng không gây ra nhiễulẫn nhau Nó cung cấp các hoạt động với một phương thức hiệu quả khắc phục các trởngại của truyền sóng NLOS Dạng sóng OFDM WiMAX cung cấp thuận lợi là có thểhoạt động với khoảng trễ lớn hơn ở môi trường NLOS

Khả năng khắc phục khoảng trễ, đa đường, và ISI theo cách hiệu quả cho phép

thông lượng tốc độ dữ liệu cao

2.5.1.1 Hoạt động của OFDM

Điều chế OFDM chia dải phổ sẵn có thành nhiều sóng mang con độc lập Để đạtđược điều này, các sóng mang con phải trực giao với nhau để không gây ra nhiễu giữacác sóng mang con ở vị trí gần nhau Trong một tín hiệu OFDM, tất cả các sóng mangcon được truyền đồng thời

Hai tín hiệu được gọi là trực giao khi đỉnh (peak ) của mỗi tín hiệu sóng mang contrùng với điểm không (null) của các tín hiệu khác với kết quả là một tín hiệu sóngmang con được đặt và sắp thẳng hàng

Hinh 2.6 Tín hiệu sóng mang c ủa OFDM

Những tín hiệu trong các sóng mang con độc lập được điều chế và giải điều chếmột cách riêng rẽ Nếu một hay hai sóng mang con bị suy giảm hay bị tác động bởifading lựa chọn tần số (các tín hiệu ở các tần số khác nhau sẽ truyền đi với năng lượngphát ra và vận tốc khác nhau ) thì tác động này là nhỏ vì thông tin được trải trên cácsóng mang con còn lại Do truyền song song đồng thời nhiều sóng mang nên tốc độ dữliệu sẽ rất cao

Vì tín hiệu OFDM được truyền đi trong các sóng mang con song song, các bit sửalỗi trước (Forward Error Correction) được thêm vào các sóng mang để máy thu tái tạo

lại các bit thông tin bị mất do nhiễu hay hiệu ứng đa đường Cơ chế sửa lỗi này chophép OFDM tăng tính tin cậy khi truyền dữ liệu [4]

2.5.1.2 Những ưu điểm của hệ thống OFDM

 Công nghệ này thích hợp cho hệ thống tốc độ cao

 Thích hợp với với các dụng không dây

 Rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn

 Sử dụng dải tần hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạnchế được ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số thành các kênh con fadingphẳng 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 giữacác sóng mang và giao thoa giữa các tín hiệu

 Giải quyết vấn đề fading bằng quá trình thực hiện điều chế và giải điều chếtrong OFDM nhờ sử dụng phép biến đổi FFT

 OFDM có ưu điểm nổi bật khác là khắc phục hiện tượng không có tầm nhìnthẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn

 Độ bao phủ rộng hơn và độ đâm xuyên tốt hơn, cho phép cung cấp các dịch vụtruy cập vô tuyến tới các khách hàng trước đây không được phục vụ, do vậy làmtăng doanh thu tiềm năng cho các nhà điều hành mạng và cung cấp dịch vụ

 Giảm chi phí lắp đặt và hoạt động do quá trình lắp đặt đơn giản hơn, không yêucầu các điều kiện LOS (Line-of-Sight) và vẫn đảm bảo nhu cầu cài đặt thêm cácthiết bị phụ trợ bổ sung

 Hiệu quả sử dụng phổ rất cao, tức là có nhiều hơn dữ liệu sẽ được truyền qua

một dải thông so với các công nghệ cạnh tranh [4]

2.5.1.3 Nhược điểm của hệ thống OFDM

Mặc dù OFDM có rất nhiều ưu điểm như đã nêu trên, nhưng điều đó không có nghĩa

là OFDM không có nhược điểm:

 Thứ nhất, nó đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnhhưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoatần số (InterCarrier Interference - ICI) mà kết quả là phó bỏ sự trực giao giữa các

tần số sóng mang và làm tăng tỷ số bit lỗi (BER) Tuy nhiên OFDM cũng có thểgiảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ (GI) Sử dụngchuỗi GI cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm

GI cũng đồng nghĩa với việc giảm thêm hiệu quả sử dụng phổ tần số

 Thứ hai, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung, có nghĩa là một xung tín hiệunhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong

CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA [4]

2.5.2 Kỹ thuật OFDMA

2.5.2.1 Khái niệm

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phân tầntrực giao) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM.Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề nhau, đượcgộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽđược cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụthể

2.5.2.2 Đặc điểm

OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính

ổn định đươc cải thiện Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyềnnhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó

sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi access Interfearence MAI)

Hình 2.7 ODFM và OFDMA

Hình 2.7 mô tả một ví dụ về bảng tần số - thời gian của OFDMA, trong đó có 7người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang phụ

có sẵn, khác với những người còn lại

Bảng 1 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA

Thí dụ cụ thể này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người

sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM 7 người

sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang theo bốn khe thờigian

2.5.2.3 OFDMA nhảy tần

f

t

Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định(fix set) cho sóng mang Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụ theo khethời gian như được mô tả trong hình

Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi user làm biến đổi thực

sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần Điều này có lợi là tính phân tậptheo tần số tăng lên bởi vì mỗi user dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như là có lợi

về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ biến đối với các biến thể của CDMA Bằngcách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward Error Correcting- FEC) trên các bướcnhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị fading sâu hay các sóng mang

bị xuyên nhiễu bởi các user khác Do đặc tính xuyên nhiễu và fading thay đổi với mỗibước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn làphụ thuộc vào user và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất

Bảng 2 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1

bước nhảy với 4 khe thời gian

Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DS-CDMA

và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằngcách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào

t f

Điềuchế băng tần gốc

Chèn Pilot symbol

Tách Pilot symbol

Cân bằng kênh

Giải điều chế băng tần gốc

Kênh truyềnt f

OFDM thông qua biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ GI Luồng tín hiệu số đượcchuyển thành tín hiệu tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát Tínhiệu này sẽ bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng AWGN (Addictive White GaussianNoise )

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu, đượcphát kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống

Hình 2.9 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA

Phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát Để khôi phục tín hiệu phátthì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm Tín hiệu nhậnđược sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu Luồng thứ nhất làtín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng thứ hai là mẫu tin dẫn đườngđược đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại được đưa đến bộ cân bằng kênh đểkhôi phục lại tín hiệu ban đầu

2.5.3 So sánh OFDM và OFDMA

Trong WIMAX fixed, áp dụng công nghệ OFDM, còn trong WIMAX theo chuẩn802.16e, áp dụng công nghệ OFDMA(Orthogonal Frequency Division MultiplexingAccess), hai công nghệ này có vài sự khác biệt cơ bản như sau:

Công nghệ OFDMA cũng áp dụng cách chia băng to thành các băng con trực

giao giống như OFDM, tuy nhiên ở OFDMA, các sóng mang con này được nhóm lạithành các nhóm, mỗi nhóm sẽ được gán cho một người dùng khác nhau Ngoài các sóngmang dữ liệu và bảo vệ, trong OFDMA còn có các sóng mang đánh dấu (PilotCarriers) nhằm phục vụ cho việc đồng bộ

Trong OFDM chỉ một người dùng hoạt động trong một khe thời gian, tuy nhiên, trong OFDMA, nhiều người dùng có thể cùng hoạt động trong một khe thời gian Do đó, nếu chỉ có một người dùng trong khe thời gian, toàn bộ công suất sẽ được dồn lại cho người dùng này Điều này mang lại độ lợi 15dB so với OFDM

Vì trong OFDMA nhiều người dùng có thể chia sẻ một khe thời gian nên việcquản lí phổ tần số và công suất phát linh hoạt hơn

Hình 2.10 So sánh OFDM và OFDMA