Đồ án winmax

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước.

Mục lục

MỤC LỤC

Nội dung Trang

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ

MỤC LỤC CÁC BẢNG

CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX

1.1. Giới thiệu chương.........................................................................................1

1.2. Khái niệm.....................................................................................................1

1.3. Các chuẩn của WiMAX................................................................................5

1.3.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001..........................................................................5

1.3.2. Chuẩn IEEE 802.16a....................................................................................5

1.3.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004..........................................................................6

1.3.4. Chuẩn IEEE 802.16e....................................................................................6

1.4. Phổ WiMAX................................................................................................8

1.4.1. Băng tần đăng ký..........................................................................................8

1.4.2. Băng tần không đăng ký 5GHz.....................................................................9

1.5. Truyền sóng..................................................................................................9

1.6. Ưu điểm và nhược điểm của WiMAX........................................................12

1.7. Tình hình triển khai WiMAX.....................................................................14

1.7.1. Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới.................................................14

1.7.2. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam.............................14

1.8. Kết luận chương.........................................................................................15

Chương 2: CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX

2.1. Giới thiệu chương.......................................................................................16

2.2. Kỹ thuật OFDM..........................................................................................17

Mục lục

2.2.1. Khái niệm...................................................................................................17

2.2.2. Sơ đồ khối OFDM......................................................................................18

2.2.3. Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM..........................................................19

2.2.4. Nguyên tắc giải điều chế OFDM................................................................21

2.2.5. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM................................................21

2.3. Kỹ thuật OFDMA.......................................................................................23

2.3.1. Khái niệm...................................................................................................23

2.3.2. Đặc điểm....................................................................................................23

2.3.3. OFDMA nhảy tần.......................................................................................24

2.3.4. Hệ thống OFDMA......................................................................................26

2.4. Điều chế thích nghi.....................................................................................27

2.5. Công nghệ sửa lỗi.......................................................................................28

2.6. Điều khiển công suất..................................................................................28

2.7. Các công nghệ anten tiên tiến.....................................................................28

2.7.1. Phân tập thu và phát...................................................................................29

2.7.2. Các hệ thống anten thích nghi....................................................................30

2.8. Kết luận chương.........................................................................................31

Chương 3: KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX


3.2. Mô hình tham chiếu....................................................................................32

3.3. Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC)............................................34

3.3.1. Kết nối và địa chỉ........................................................................................35

3.3.2. Lớp con hội tụ MAC..................................................................................36

3.3.3. Lớp con phần chung MAC.........................................................................37

3.3.4. Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông......................................................41

3.3.5. Cơ chế lập lịch dịch vụ và chất lượng dịch vụ (QoS).................................43

3.3.6. Lớp con bảo mật.........................................................................................44

3.4. Lớp vật lý...................................................................................................44

Mục lục

3.5. Kết luận chương.........................................................................................46

Chương 4: KIẾN TRÚC BẢO MẬT CHUẨN IEEE 802.16


4.2. Kiến trúc bảo mật.......................................................................................47

4.2.1. Kết hợp bảo mật.........................................................................................49

4.2.2. Giao thức quản lí khóa PKM......................................................................49

4.3. Quy trình bảo mật.......................................................................................50

4.3.1. Xác thực.....................................................................................................51

4.3.2. Trao đổi khóa dữ liệu.................................................................................53

4.3.3. Mã hóa dữ liệu............................................................................................54

4.4. Hạn chế của kiến trúc bảo mật IEEE 802.16..............................................55

4.5. Kết luận chương.........................................................................................56

Chương 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG WiMAX


5.2. Môi trường mô phỏng.................................................................................57

5.3. Mô phỏng...................................................................................................59

5.3.1. Giả thuyết...................................................................................................59

5.3.2. Kịch bản mô phỏng....................................................................................60

5.4. Phân tích kết quả mô phỏng.......................................................................61

5.4.1. Hoạt động...................................................................................................61

5.4.2. Tính lượng băng thông được sử dụng trên BS............................................63

5.5. Nhận xét.....................................................................................................65

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...............................................66

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................67

Mục lục

PHỤ LỤC

Phụ lục A: Giá trị trường Type trong thông báo quản trị lớp MAC

Phụ lục B: Giao thức định tuyến DSDV

Phụ lục C: Cài đặt NS-2 trên nền Windows 9x/2000/XP sử dụng Cygwin

Mục lục các hình vẽ

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1. Minh họa họat động WiMAX [10].........................................................11

Hình 1.2. Truyền sóng trong trường hợp NLOS [10]............................................11

Hình 2.1. So sánh giữa FDM và OFDM...............................................................17

Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM...................................................................18

Hình 2.3. Khái niệm về chuỗi bảo vệ....................................................................19

Hình 2.4. ISI và cyclic prefix.................................................................................20

Hình 2.5. Tách chuỗi bảo vệ.................................................................................21

Hình 2.6. ODFM và OFDMA...............................................................................23

Hình 2.7. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA...................................24

Hình 2.8. 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................................................25

Hình 2.9. 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau.........................25

Hình 2.10. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA................................................26

Hình 2.11. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA..............................................27

Hình 2.12. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi.....................................27

Hình 2.13. MISO...................................................................................................29

Hình 2.14. MIMO..................................................................................................30

Hình 2.15. Beam Shaping......................................................................................30

Hình 2.16. AAS đường xuống................................................................................31

Hình 3.1. Mô hình tham chiếu. [5]........................................................................32

Hình 3.2. Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16..........33

Hình 3.3. Luồng dữ liệu qua các lớp.....................................................................33

Hình 3.4. Định dạng MAC PDU...........................................................................37

Hình 3.5. Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung..............................................38

Hình 3.6. Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông.....................................................40

Hình 4.1. Mô hình kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16 [7]..............................48

Mục lục các hình vẽ

Hình 4.2. Quy trình bảo mật.................................................................................50

Hình 4.3. Quá trình xác thực SS với BS................................................................51

Hình 4.4. Quá trình trao đổi khóa dữ liệu.............................................................53

Hình 4.5. Định dạng payload trước và sau khi mã hóa.........................................55

Hình 5.1. Module WiMAX trong kiến trúc NS-2 [13]..........................................58

Hình 5.2. Kiến trúc mạng mô phỏng....................................................................60

Hình 5.3. Các SS gửi yêu cầu ranging.................................................................61

Hình 5.4. BS gửi đáp ứng ranging.......................................................................62

Hình 5.5. SS_2 gửi yêu cầu băng thông...............................................................62

Hình 5.6. SS_2 gửi dữ liệu (rtPS) cho BS..............................................................63

Hình 5.7. Đồ thị băng thông được sử dụng trên các kênh truyền..........................63

Hình 5.8. Thông tin trong file ~.tr được import vào excel....................................64

Mục lục các các bảng

MỤC LỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1. Tóm tắt các đặc trưng cơ bản các chuẩn WiMAX [6].............................8

Bảng 3.1. Các trường tiêu đề MAC chung............................................................39

Bảng 3.2. Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông..........................................40

Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16..........................................................45

Các từ viết tắt

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAS Advanced Antenna Systems - Các hệ thống anten thích nghiAES Advanced Encryption Standard - Chuẩn mã hóa nâng caoAK Authentication Key - Khóa chứng thựcARQ Automatic Repeat reQuest - Tự động lặp lại yêu cầuATM Asynchronous Transfer ModeAWGN Additive White Gaussian Noise - Nhiễu Gaussian trắng cộngBE Best EffortBER Bit Error Rate - Tỉ lệ lỗi bitBPSK Binary Phase Shift Keying - điều chế pha nhị phânBS Base Station - Trạm gốcCDMA Code Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mãCID Connection Identifier - Định danh kết nốiCP Cyclic Prefix - Tiền tố vòngCPE Customer Premise EquipmentCRC Cyclic Redundancy Check - Kiểm tra lỗi dư vòngDFS Dynamic Frequency Selection – Lựa chọn tần số độngFDD Frequency Division Duplex - Ghép kênh phân chia theo tần sốFFT Fast Fourier Transform - Chuyển đổi Fourier nhanhGSM Global System for Mobile communications - Hệ thống thông tin di

động toàn cầuICI InterChannel Interference - Nhiễu xuyên kênhIDFT Inverse Discrete Fourier Transform - Biến đổi Fourirer rời rạc

ngượcIEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers - Học Viện của các

Kỹ Sư Điện và Điện TửIFFT Inverse Fast Fourier Transform - Biến đổi Fourier ngược nhanhISI Inter-Symbol Interference - Nhiễu xuyên ký tựKEK Key Encryption KeyLOS Line Of Sight - Tầm nhìn thẳngMAC Media Access Control - Điều khiển truy nhập môi trườngMAN Metropolitan Area Network – Mạng đô thịMIMO Multiple Input Multiple Output - Nhiều đầu vào, nhiều đầu raMISO Multiple Input Single Output - Nhiều đầu vào, một đầu raMS Mobile Station - Trạm di độngNLOS Non–Line-Of-Sight - Không tầm nhìn thẳngnrtPS non–real-time Polling ServiceOFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Ghép kênh phân

chia theo tần số trực giao

Các từ viết tắt

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập ghép

kênh chia tần số trực giaoPDU Packet Data Unit - Đơn vị gói dữ liệuPKM Privacy and Key Management - Quản lý sự riêng tư và khóaQAM Quadrature Amplitude Modulation - Điều chế biên độ trực giaoQoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụQPSK Quadature Phase Shift Keying - điều chế pha trực giaoRF Radio Frequency - Tần số vô tuyếnrtPS real-time Polling ServiceSA Security Association – Tập hợp bảo mậtSDU Service Data Unit - Đơn vị dữ liệu dịch vụSLA Service-Level Agreement - Thỏa thuận mức dịch vụSNR Signal-to-Noise Ratio – Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễuSS Subscriber Station - Trạm thuê baoTDM Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gianTDMA Time Division Multiplexing Access – Đa truy cập phân chia theo

thời gianTEK Traffic Encryption Key - Khóa mã hóa lưu lượngUDP User Datagram ProtocolUGS Unsolicited Grant ServicesUMTS Universal Mobile Telephone SystemWiFi Wireless FidelityWiMAX Worldwide interoperability for Microwave AccessWLAN Wireless Local Area Network – Mạng cục bộ không dây

Mở đầu

MỞ ĐẦU

Xu hướng phát triển của các mạng thế hệ sau được đặc trưng bởi khả năng hội

tụ, tốc độ dữ liệu cao, hỗ trợ nhiều mức chất lượng dịch vụ (QoS) đi đôi với khả

năng di động bên trong mạng hoặc giữa các mạng sử dụng các công nghệ khác nhau

và giữa các nhà cung cấp dịch vụ với nhau. Một khía cạnh quan trọng trong xu

hướng phát triển đó là việc chuẩn hóa, cho phép xây dựng kiểu mạng độc lập với

thiết bị và khả năng tương tác giữa các kiểu mạng khác nhau ở mức cao. Một công

nghệ đang được phát triển đáp ứng được những đặc tính kể trên, được chuẩn hóa

bởi tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đó là công nghệ

IEEE 802.16, thường được gọi là công nghệ WiMAX.

WiMAX được thiết kế nhằm mục đích bổ sung vào các công nghệ truy cập

không dây hiện tại với ưu điểm tốc độ dữ liệu cao, hỗ trợ QoS linh hoạt, phạm vi

phủ sóng rộng và chi phí triển khai thấp trong phạm vi vùng đô thị MAN

(Metropolian Access Network).

Đồ án này tập trung vào việc nghiên cứu lớp Điều khiển truy nhập môi trường

MAC trong công nghệ WIMAX. Đồ án sẽ trình bày những vấn đề cơ bản nhất về

công nghệ WiMAX như các chuẩn WiMAX, các kỹ thuật được ứng dụng trong

WiMAX, mô hình phân lớp và bảo mật trong WiMAX.

Ngoài ra, đồ án cũng giới thiệu một mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống

WiMAX nhằm mục đích làm rõ quá trình làm việc của hệ thống WiMAX.

Đồ án bao gồm 5 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX.

Chương 2: Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX.

Chương 3: Kiến trúc mạng truy cập WiMAX

Chương 4: Kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16.

Chương 5: Mô phỏng hoạt động hệ thống WiMAX.

Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX

Chương 1GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX

1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

WiMAX là một công nghệ cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối

như một phương thức thay thế cho cáp và đường dây thuê bao số DSL. WiMAX

cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể di

động nhưng cố định trong lúc kết nối), portable (người sử dụng có thể di chuyển với

tốc độ chậm) và cuối cùng là di động mà không cần ở trong tầm nhìn thẳng LOS

(Line-Of-Sight) trực tiếp với trạm gốc BS (Base Station). WiMAX khắc phục được

các nhược điểm của các phương pháp truy nhập hiện tại, cung cấp một phương tiện

truy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống

WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền có tốc độ lên đến 70Mbit/s và với bán

kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50Km. Mô hình phủ sóng của mạng

WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMAX cũng hoạt

động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi máy tính muốn truy nhập

mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất.

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về WiMAX, các

chuẩn WiMAX hiện nay, các băng tần có thể sử dụng cho WiMAX, các ưu điểm và

lợi ích của WiMAX mang lại, đồng thời là tình hình triển khai WiMAX trên thế

giới và tại Việt Nam

1.2. KHÁI NIỆM

WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là hệ thống truy

nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16

WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network). Họ 802.16 này đưa ra những

tiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô

tuyến băng rộng điểm – đa điểm về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển

truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY).

- 1 -


WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả

năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây

di động. Hai phiên bản của WiMAX được đưa ra như sau:

• Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-

2004, được thiết kế cho loại truy nhập cố định và lưu động. Trong phiên bản

này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

(Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trường

nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và không nhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-

sight). Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tai đã được cấp chứng chỉ và

thương mại hóa.

• Mobile WiMAX (WiMAX di động): dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e,

được thiết kế cho loại truy cập xách tay và di động. về cơ bản, tiêu chuẩn

802.16e được phát triển trên cơ sở sửa đổi tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 để

tối ưu cho các kênh vô tuyến di động, cung cấp khả năng chuyển vùng –

handoff và chuyển mạng – roaming. Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa

truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal Frequency

Division Multiple Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật

phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn

đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh

hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng

phủ sóng với các loại địa hình đa dạng.

WiMAX đã được phát triển và khắc phục được những nhược điểm của các

công nghệ truy cập băng rộng trước đây, cụ thể:

o Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm

điểm – đa điểm, công nghệ lưới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi. Điều khiển

truy nhập môi trường – MAC, phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm

và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động

(MS). Nếu có duy nhất một MS trong mạng, trạm gốc (BS) sẽ liên lạc với MS

- 2 -


trên cơ sở điểm – điểm. Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử

dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn.

o Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn

hợp lưu lượng sẽ được mang. Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát

tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng

không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE).

o Triển khai nhanh, chi phí thấp: So sánh với triển khai các giải pháp có

dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài.

Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu. Ngoài ra, dựa trên

các chuẩn mở của WiMAX, sẽ không có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫn

đến việc cạnh tranh của nhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ

thống giảm đáng kể.

o Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa

vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhà

cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng. Chi tiết hơn, một nhà cung cấp

dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm

chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng MS. Cung cấp truy nhập

băng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp

đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùng

mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng

rộng rất thách thức.

o Tính tương thích: WiMAX được xây dựng để trở thành một chuẩn

quốc tế, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử

dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ

khác nhau. Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì

nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị.

o Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả

năng di động. Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số

trực giao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các

- 3 -


thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động. Những cải tiến này, bao

gồm OFDMA mở rộng được, MIMO (Multi In Multi Out - nhiều đầu vào

nhiều đầu ra), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và handoff, sẽ cho phép khả

năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h. Mạng WiMAX di động cho phép

người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng thông rộng tại bất cứ

đâu có phủ sóng WiMAX.

o Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà không

đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS. Khả năng này của nó giúp các sản

phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS.

o Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm

BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM. Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao

và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK). Các hệ thống

WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa BS và

MS không bị cản trở. Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công

cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone). Ở những điều kiện tốt nhất có thể

đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài

Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà

và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS).

o Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm

gốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất.

o Tính mở rộng: Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô

tuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để

tăng dung lượng mạng. Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển

công suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để

hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả. Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng

trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF. Hỗ trợ nhiều

kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng

vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà

vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau.

- 4 -


o Bảo mật: Bằng cách mã hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sử

dụng chuẩn mã hóa tiên tiến AES, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi

qua giao diện vô tuyến. Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh

chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ.

1.3. CÁC CHUẨN CỦA WiMAX

1.3.1. Chuẩn IEEE 802.16 - 2001

Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố

vào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho

các mạng vùng đô thị. Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001:

Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố

định họat động ở dải tần 10 – 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng.

Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC.

Tốc độ bit: 32 – 134 Mbps với kênh 28 MHz.

Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM.

Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz.

Bán kính cell: 2 – 5 km.

Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật.

1.3.2. Chuẩn IEEE 802.16a

Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử

dụng tần số từ 10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn

thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở

rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao

gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện

tầm nhìn thẳng. Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:

- 5 -


Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào

cho dải 2 – 11 GHz (NLOS).

Tốc độ bit: tới 75Mbps với kênh 20 MHz.

Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang,

QPSK, 16 QAM, 64 QAM.

Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz.

Bán kính cell: 6 – 9 km.

Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa.

Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ

trợ công nghệ Mesh, ARQ.

1.3.3. Chuẩn IEEE 802.16 - 2004

Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp thông

qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ở

dải tần số 10 - 66 GHz và NLOS ở dải 2 - 11 GHz. Khả năng vô tuyến bổ sung như

là “beam forming” và kênh con OFDM.

1.3.4. Chuẩn IEEE 802.16e

Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile

WiMAX đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di

chuyển. Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc,

tương thích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác. 802.16e họat động ở các

băng tần nhỏ hơn 6 GHz, tốc độ lên tới 15 Mbps với kênh 5 MHz, bán kính cell từ 2

– 5 km.

WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming. Sử dụng SOFDMA, một công

nghệ điều chế đa sóng mang. Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng

có thể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định. 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA

cho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA. Sự phân

- 6 -


chia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng của

nhiễu phía thiết bị người dùng với anten đa hướng. Cụ thể hơn, 802.16e đưa ra hỗ

trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như các handoff cứng và mềm. Nó cũng cải

tiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các đặc điểm bảo

mật linh hoạt hơn.

802.16 802.16-2004 802.16-2005

Tình trạngHoàn thiện vào

tháng 12-2001

Hoàn thiện vào tháng 6-

2004

Hoàn thiện vào tháng 12-

2005

Dải tần 10-66 GHz 2-11 GHz2-11 GHz cho cố định;

2-6 GHz cho di động

Ứng dụng

Cố định, tầm

nhìn thẳng

(LOS)

Cố định, không nhìn thẳng

(NLOS)

Cố định và di động, không

nhìn thẳng (NLOS)

Cấu trúc

lớp MAC

Điểm – đa điểm,

mạng lướiĐiểm – đa điểm, mạng lưới Điểm – đa điểm, mạng lưới

Mô hình

truyền

sóng

Đơn sóng mangĐơn sóng mang, 256

OFDM, 2048 OFDM

Đơn sóng mang, 256 OFDM

hoặc S-OFDM với 128, 512,

1024, 2048 sóng mang con.

Điều chếQPSK, 16QAM,

64QAMQPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM

Tổng tần

số dữ liệu32-134.4 Mbps 1-75 Mbps 1-75 Mbps

Ghép

kênh

Khối

TDM/TDMA

Khối

TDM/TDMA/OFDMAKhối TDM/TDMA/OFDMA

Song công TDD và FDD TDD và FDD TDD và FDD

Độ rộng

kênh

truyền

(MHz)

20, 25, 281.75, 3.5, 7, 14, 1.25, 5, 10,

15, 8.75

1.75, 3.5, 7, 14, 1.25, 5, 10,

15, 8.75

Giao diện WirelessMAN- WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-SCa,

- 7 -


không

gianSC

WirelessMAN-OFDM,

WirelessMAN-OFDMA

WirelessMAN-OFDM,

WirelessMAN-OFDMA

Xử lý

WiMAXKhông

256-OFDM như là

WiMAX cố định

S-OFDMA như là WiMAX

di động

Bảng 1.1. Tóm tắt các đặc trưng cơ bản các chuẩn WiMAX [6]

1.4. PHỔ WiMAX

1.4.1. Băng tần đăng ký

Các giải pháp đăng ký cung cấp các ưu điểm chất lượng dịch vụ được cải thiện

cao hơn các giải pháp không đăng ký, chấp nhận NLOS tốt hơn ở các tần số thấp,

nó có một ngân qũy công suất đường xuống rộng hơn và có thể hỗ trợ các anten

trong nhà tốt hơn. Giải pháp đăng ký cho phép kiểm soát qua cách sử dụng phổ và

nhiễu.

• Băng tần đăng ký 2,5 GHz

Đã được cấp phát trong phần lớn các nước trên thế giới, bao gồm bắc Mỹ, Mỹ

Latin, đông và tây Âu và nhiều vùng của châu Á - thái bình dương. Mỗi quốc gia

thường cấp phát dải khác nhau, vì vậy phổ được cấp phát qua các vùng có thể từ

2,495 GHz đến 2,690 GHz. Tổng phổ khả dụng là 195 MHz, bao gồm các dải

phòng vệ và các kênh MDS, gữa 2.495 GHz và 2.690 GHz. Hỗ trợ FDD, TDD. Phổ

trên mỗi đăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz và một block 6 MHz, tổng số 8

đăng ký.

• Băng tần đăng ký 3,5 GHz.

Ở châu Âu, viện chuẩn viễn thông châu âu đã phân phối dải 3,5 GHz, bắt đầu

được sử dụng cho WPLL, cho các giải pháp WiMAX đăng ký. Tổng phổ khả dụng,

thay đổi theo quốc gia nhưng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và 3,8 GHz.

Hỗ trợ cả FDD và TDD, một vài quốc gia chỉ sử dụng FDD trong khi các quốc gia

- 8 -


khác cho phép sử dụng FDD hoặc TDD. Phổ trên mỗi đăng ký thay đổi từ 2×5MHz

đến 2×56 MHz.

1.4.2. Băng tần không đăng ký 5GHz

Phần lớn các quốc gia toàn thế giới đã sử dụng phổ 5 GHz cho các phương tiện

liên lạc không đăng ký. Các băng 5,15 GHz và 5,85 GHz đã được chỉ định như

không đăng ký trong phần lớn thế giới.

Các giải pháp không đăng ký cung cấp một vài thuận lợi chính hơn các giải

pháp đăng ký, bao gồm chi phí ban đầu thấp hơn, rút ra nhanh hơn, và một băng

chung có thể được sử dụng ở phần lớn thế giới. Các lợi ích này đang thu hút sự

quan tâm và có khả năng cho sự chấp nhận băng rộng nhanh chóng.

Tuy nhiên một giải pháp không đăng ký thì khả năng nhiễu cao hơn, và nhiều

sự cạnh tranh đối với các nhà kinh doanh bất động sản cho việc triển khai. Một giải

pháp không đăng ký sẽ không được xem như một sự thay thế cho giải pháp đăng ký.

Mỗi giải pháp cung cấp một thị trường khác nhau dựa vào sự thỏa hiệp giữa chi phí

và QoS.

1.5. TRUYỀN SÓNG

Trong khi nhiều công nghệ hiện đang tồn tại cho không dây băng rộng chỉ có

thể cung cấp phủ sóng LOS, công nghệ WiMAX được tối ưu để cung cấp phủ sóng

NLOS. Công nghệ tiên tiến của WiMAX cung cấp tốt nhất cho cả hai. Cả LOS và

NLOS bị ảnh hưởng bởi các đặc tính đường truyền môi trường của chúng, tổn thất

đường dẫn, và ngân quỹ kết nối vô tuyến.

Trong liên lạc LOS, một tín hiệu đi qua một đường trực tiếp và không bị tắc

nghẽn từ máy phát đến máy thu. Một liên lạc LOS yêu cầu phẩn lớn miền Fresnel

thứ nhất thì không bị ngăn cản của bất kì vật cản nào, nếu tiêu chuẩn này không

thỏa mãn thì có sự thu nhỏ đáng kể cường độ tín hiệu quan sát. Độ hở Fresnel được

yêu cầu phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa vị trí máy phát và máy

- 9 -


thu.

Trong liên lạc NLOS, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ. Các

tín hiệu đến máy thu bao gồm các thành phần từ đường trực tiếp, các đường được

phản xạ nhiều lần, năng lượng bị tán xạ, và các đường truyền bị nhiễu xạ. Các tín

hiệu này có khoảng trễ khác nhau, suy hao, phân cực, và độ ổn định quan hệ với

đường truyền trực tiếp. Là nguyên nhân gây ra nhiễu ISI và méo tín hiệu. Điều đó

không phải là vấn đề đối với LOS, nhưng với NLOS thì lại là vấn đề chính.

Hiện tượng đa đường cũng có thể gây ra sự phân cực tín hiệu bị thay đổi. Vì

vậy sử dụng phân cực như là biện pháp sử dụng lại tần số, như được thực hiện thông

thường trong các triển khai LOS có thể khó giải quyết trong các ứng dụng NLOS.

Một hệ thống vô tuyến sử dụng các tín hiệu đa đường này như thế nào hướng

tới một thuận lợi là chìa khóa để cung cấp dịch vụ trong các điều kiện NLOS. Một

sản phẩm mà chỉ đơn thuần tăng công suất để xuyên qua các vật cản (đôi lúc được

gọi là “gần tầm nhìn thẳng”) thì không phải là công nghệ NLOS bởi vì phương pháp

này vẫn còn dựa vào đường truyền trực tiếp đủ mạnh mà không sử dụng năng lượng

xuất hiện trong các tín hiệu gián tiếp.

Có nhiều ưu điểm mà những triển khai NLOS tạo ra đáng mong muốn. Ví dụ,

các yêu cầu lập kế hoạch chặt chẽ và giới hạn chiều cao anten mà thường không cho

phép anten được bố trí cho LOS. Với những triển khai tế bào kề nhau phạm vi rộng,

nơi tần số được sử dụng lại là tới hạn, hạ thấp anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênh

chung giữa các vị trí cell liền kề. Điều này thường có tác dụng thúc đẩy các trạm

gốc hoạt động trong các điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể giảm chiều

cao anten bởi vì làm như vậy sẽ có tác động đến đường quan sát trực tiếp được yêu

cầu từ CPE đến trạm gốc.

- 10 -


Hình 1.1. Minh họa họat động WiMAX [10]

Công nghệ NLOS cũng giảm phí tổn cài đặt bằng cách đặt dưới các mái che

thiết bị CPE đúng như nguyên bản và giảm bớt khó khăn định vị trí các địa điểm đặt

CPE thích hợp. Công nghệ cũng giảm bớt nhu cầu quan sát vị trí thiết bị phía trước

và cải thiện độ chính xác của các công cụ lập kế hoạch NLOS.

Công nghệ NLOS và những tính năng được nâng cao trong WiMAX tạo khả

năng sử dụng thiết bị phía đầu khách hàng (CPE) trong nhà. Điều này có hai khó

khăn chính; đầu tiên là khắc phục những tổn hao xuyên qua tòa nhà và thứ hai, phủ

sóng các khoảng cách hợp lý với công suất truyền và các anten thấp hơn mà thường

được kết hợp với các CPE trong nhà.

Hình 1.2. Truyền sóng trong trường hợp NLOS [10]

- 11 -


1.6. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ WiMAX

Mục tiêu của tổ chức IEEE khi phát triển tiêu chuẩn 802.16:

- Xây dựng một phạm vi chuẩn để dễ dàng cho sự phát triển và phối hợp

giữa các nhà sản xuất, nhà cung cấp và cả người sử dụng.

- Thúc đẩy quá trình chứng nhận phối hợp hoạt động và tuân thủ cho các hệ

thống truy nhập vô tuyến băng rộng trên toàn cầu.

Như vậy, với mục tiêu đề ra, các tiêu chuẩn cho WiMAX có lợi ích hết sức to

lớn đối với các nhà sản xuất, các nhà cung cấp dịch vụ và cả người sử dụng dịch vụ.

• Đối với nhà sản xuất:

- Trên cơ sở tiêu chuẩn chung, nhà sản xuất có thể nhanh chóng phát triển

các sản phẩm mà ít phải chi phí cho việc nghiên cứu, tạo thánh phần và

dịch vụ mới.

- Một nhà sản xuất có thể tập trung vào một lĩnh vực (chẳng hạn trạm gốc

hay CPE) mà không cần thực hiện đầy đủ giải pháp từ đầu cuối đến đầu

cuối.

• Đối với nhà cung cấp dịch vụ:

- Trên cơ sở nền tảng chung cho phép nhà cung cấp dịch vụ giảm giá thành,

tăng khả năng cạnh tranh cũng như khuyến khích sự đổi mới.

- Khả năng giảm các chi phí và mức đầu tư cho phép nhà khai thác tăng

phạm vi phục vụ của mình.

- Nhà khai thác không cón phụ thuộc vào một nhà cung cấp thiết bị riêng do

các sản phẩm riêng biệt của từng hãng.

- Hệ thống vô tuyến cho phép giảm các rủi ro cho nhà khai thác.

• Đối với người sử dụng dịch vụ:

- Người sử dụng tại các khu vực trước đây chưa được cung cấp dịch vụ truy

cập băng rộng nay có thể được sử dụng nhờ khả năng phủ sóng rộng của

WiMAX.

- 12 -


- Nhiều nhà cung cấp dịch vụ trên thị trường tạo điều kiện cho người sử

dụng có thêm nhiều lựa chọn cho dịch vụ truy nhập băng rộng.

- Tạo sự cạnh tranh có lợi cho người sử dụng, giảm các chi phí dịch vụ.

Các nhược điểm của công nghệ WiMAX:

- Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn

chế sự phổ biến công nghệ rộng rãi.

- Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật.

- Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do hiện

giờ đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau. Theo diễn dàn

WiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứng

nhận bao gồm: Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim

Wilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat,

Aperto, Axxcelera.

- Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tin

chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc

phục hậu quả sự cố ra sao. Ngay cả ở Việt Nam, VNPT (với nhà thầu nước

ngoài là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phía

Bắc, cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cập

Internet tại Bưu điện tỉnh,huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về

tính hiệu quả đáng kể của hệ thống.

Như vậy, có thể thấy rằng khả năng cũng như lợi ích của các hệ thống WiMAX

dựa trên họ chuẩn 802.16 là hết sức to lớn mặc dù nó vẫn tồn tại một số hạn chế. Nó

cho phép nhà cung cấp dịch vụ triển khai nhanh chóng các hệ thống mạng của mình,

tăng khả năng cạnh tranh đồng thời cho phép người tiêu dùng có thêm nhiều lựa

chọn, tiết kiệm hơn trong các chi phí. Điều này chính là động lực thúc đẩy các nhà

sản xuất và các nhà cung cấp dịch vụ phát triển hệ thống WiMAX.

- 13 -


1.7. TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI WiMAX

1.7.1. Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới, đã có các mạng thử nghiệm công nghệ WiMAX cố định

và di động. Theo đánh giá của Maravedis Inc. thì thị trường viễn thông băng rộng

cố định đến năm 2010 có doanh thu vượt 2 tỷ USD. Hiện nay, tốc độ tăng trưởng

hằng năm là 30%. Việc xuất hiện một công nghệ truy cập không dây băng rộng mới

như WiMAX cho phép triển khai nhanh dịch vụ, sẽ làm bùng nổ thị trường trong

những năm tới.

Đến nay, đã có một số nước đã đi vào triển khai và khai thác thử nghiệm các

dịch vụ trên nền Mobile WiMAX như Mỹ, Úc, Brazil…

Một sự kiện có thể coi là một bước ngoặt quan trọng của WiMAX – từ ngày 15-

19/10/2007 – cơ quan viễn thông quốc tế thuộc liên hiệp quốc ITU đã phê duyệt

công nghệ băng rộng không dây này vào bộ chuẩn IMT-2000. Quyết đinh này đã

đưa WiMAX lên ngang tầm với những kỹ thuật kết nối vô tuyến hàng đầu hiện nay

trong bộ chuẩn IMT-2000 gồm có GSM, CDMA và UMTS. Điều này đảm bảo cho

các nhà khai thác và quản lý trên toàn thế giới yên tâm đầu tư vào băng rộng di

động thực sự dùng WiMAX.

1.7.2. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam

VNPT triển khai thử nghiệm công nghệ WiMAX tại Lào Cai vào tháng

10/2006 và đã nghiệm thu thành công vào tháng 4/2007.

Năm 2006, tại Việt Nam, đã có 4 doanh nghiệp được Bộ Bưu chính Viễn thông

cho phép cung cấp thử nghiệm dịch vụ WiMAX cố định là Viettel, VTC, VNPT và

FPT Telecom. Sau khi thử nghiệm xong, Bộ sẽ lựa chọn 3 nhà cung cấp chính thứ

cho loại hình băng rộng không dây này.

Ngày 1/10/2007, Chính phủ đã cấp phép triển khai dịch vụ thông tin di động

3G và dịch vụ truy nhập băng rộng không dây WiMAX (theo công văn 5535/VPCP-

CN của văn phòng Chính phủ). Đồng thời, Phó thủ tướng đã đồng ý cấp phép thử

- 14 -


nghiệm dịch vụ WiMAX di động cho 4 doanh nghiệp EVN Telecom, Viettel, FPT

và VTC thử nghiệm tại băng tần 2.3 - 2.4 GHz; VNPT thử nghiệm tại băng tần 2.5 –

2.69 GHz.

1.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương 1 này đã khái quát được những đặc điểm cơ bản của WiMAX bao gồm

khái niệm, các phiên bản, phổ và các băng tần được sử dụng cho WiMAX. Ngoài

ra, chương này cũng nêu lên được các ưu điểm và nhược điểm hệ thống sử dụng

công nghệ WiMAX. Chương này sẽ là nền tảng cho các chương tiếp theo nhằm tìm

hiểu sâu hơn về hệ thống WiMAX.

- 15 -

Chương 2: Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX

Chương 2

CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX


Với kiến trúc mở, linh hoạt, dung lượng lớn và chi phí triển khai thấp đã làm

cho WiMAX trở thành một giải pháp hàng đầu cho các dịch vụ vô tuyến băng rộng.

Khả năng cung cấp kết nối băng rộng với nhiều kịch bản sử dụng từ truy cập cố

định và di động trên cùng một hạ tầng mạng và vì thế sẽ tạo nên một cấu trúc mạng

linh hoạt, mang lại các dịch vụ truy cập băng rộng giá rẻ và hứa hẹn một mô hình

kinh doanh hấp dẫn đối với các nhà cung cấp dịch vụ.

Với công nghệ tương tự trước đây (FM, AM) và biểu đồ điều chế số hóa hiệu

suất thấp (PSK, BPSK và QPSK) được sử dụng rộng rãi trong các mạng ngày nay,

công nghệ băng rộng không dây yêu cầu sử dụng các biểu đồ điều chế theo thứ tự

cao hơn với hiệu quả trải phổ tốt hơn. Tuy nhiên, biểu đồ điều chế theo thứ tự cao

hơn này rất dễ bị tác động bởi nhiễu và hiện tượng đa đường dẫn. Cả hai yếu tố này

đều phổ biến trong các triển khai mạng không dây có mặt khắp nơi và số lượng

người dùng lớn.

OFDM, OFDMA và S-OFDMA là những công nghệ truy nhập mới cải tiến hỗ

trợ kênh cần thiết để đạt được hiệu quả trải phổ tốt hơn và thông lượng kênh cao

hơn. Những công nghệ truy nhập mới này là nền tảng cho WiMAX và là lựa chọn

cho các hệ thống băng rộng di động tiếp theo khác nhằm cung cấp nhiều loại hình

dịch vụ truyền thông đa phương tiện tốc độ cao.

Trong chương này, chúng ta sẽ khảo sát tổng quan các kỹ thuật tiên tiến được

áp dụng trong công nghệ WiMAX như là kỹ thuật OFDM, OFDMA, hệ thống anten

tiên tiến…

- 16 -


2.2. KỸ THUẬT OFDM

2.2.1. Khái niệm

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Trong OFDM, chuỗi dữ liệu tới đầu

phát thường có tốc độ rất cao. Dòng dữ liệu này được chia thành nhiều dòng dữ liệu

song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P). Mỗi dòng

dữ liệu song song sau đó được điều chế bởi một sóng mang, các sóng mang này

được chọn trực giao với nhau để đảm bảo có thể tách riêng từng luồng dữ liệu tại

đầu thu. Kế đến các sóng mang này được tổng hợp lại và đưa lên tần số phát.

Hình 2.1. So sánh giữa FDM và OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và

mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến

802.16-2004 xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành

chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định. Chuẩn giao tiếp 802.16-2005 cho

phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz,

hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA), để duy trì tương đối khoảng

thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ

rộng kênh.

- 17 -


Có thể thấy rõ lợi ích của OFDM khi xét qua kênh truyền. Nếu luồng dữ liệu

gốc được chuyển trực tiếp lên sóng mang và phát lên kênh truyền, thì băng thông

rộng của tín hiệu phát sẽ bị tác động chọn lọc tần số. Bởi vì, khi tín hiệu truyền có

băng thông rộng (do tốc độ bit cao), các tần số khác nhau sẽ có độ suy hao khác

nhau khi truyền qua kênh truyền vô tuyến. Điều này dẫn đến việc khôi phục tín hiệu

tại máy thu sẽ phức tạp, đòi hỏi phải có bộ cân bằng. Trong OFDM, luồng dữ liệu

được tách thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp, có băng thông hẹp. Do đó, khi truyền,

các luồng dữ liệu này chịu Fading phẳng cùng độ.

Tại máy thu, luồng dữ liệu trước tiên được đưa về băng gốc bởi bộ trộn. Luồng

dữ liệu này sau đó được tách ra thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp, theo sau là bộ lọc

thông thấp và bộ quyết định.

2.2.2. Sơ đồ khối OFDM

Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Đầu tiên, dòng dữ liệu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu

song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P). Mỗi dòng

dữ liệu song song sau đó được mã hóa (Coding) sử dụng thuật toán FEC (Forward

Error Correcting) và được sắp xếp (Mapping) theo một trình tự hỗn hợp. Những ký

- 18 -

Dữ liệu

Dữ liệu

S/P Mã hóa&sắp xếp

Chèn Pilot IFFT

Chèn dải bảo vệ

P/S

Kênh truyền

P/S

sắp xếp lại &giải mã

ước lưọng kênh

FFT

Loại bỏ dải bảo vệ

S/P

AWGN w(n)


tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT (ở đây để thực hiện phép biến đổi

IDFT người ta dùng thuật toán IFFT). Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm

nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di

động đa đường. Dòng dữ liệu song song lại được chuyển thành nối tiếp nhờ bộ

chuyển đổi song song-nối tiếp (P/S). Cuối cùng, bộ A/D phía phát định dạng tín

hiệu thời gian liên tục và chuyển đổi lên miền tần số cao để truyền đi xa.

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như

nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN).

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận

được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ

miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT (khối

FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và

pha của các sóng mang nhánh sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối

cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

2.2.3. Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử

dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI

nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI). Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS,

chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau được sao chép

lên phần phía trước của mẫu tín hiệu này như hình vẽ sau (do đó, GI còn được gọi là

Cyclic Prefix-CP). Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI

do hiệu ứng phân tập đa đường.

Hình 2.3. Khái niệm về chuỗi bảo vệ.

Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có

chiều dài là TS, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này có

- 19 -

Phần tín hiệu có íchPhần tín hiệu có íchGI


chiều dài là T=TS+TG. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu

theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ mô tả dưới đây, hình a, tín hiệu theo

đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng

thời gian so với đường thứ nhất.Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất

cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây

chính là hiện tượng ISI. Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ

dễ dàng loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp TG ≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì

phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu

có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến

bộ giải điều chế OFDM. Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không

bị ảnh hưởng bởi ISI là: maxτ≥GT với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh.

Không có GI

Có GI

Hình 2.4. ISI và cyclic prefix

- 20 -


2.2.4. Nguyên tắc giải điều chế OFDM

Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát. Tín hiệu thu sẽ

được tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các

sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit (tín hiệu số) và

chuyển đổi song song sang nối tiếp

Hình 2.5. Tách chuỗi bảo vệ

2.2.5. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

Qua việc phân tích về cơ bản kỹ thuật OFDM như trên, chúng ta có thể rút ra

một số ưu điểm, nhược điểm chính của OFDM như sau:

Ưu điểm:

• Sử dụng phổ hiệu quả nhờ phổ tần số có dạng gần như cửa sổ chữ nhật

nếu số sóng mang con đủ lớn.

• Loại bỏ nhiễu xuyên ký tự (ISI) và nhiễu giữa các khung (IFI) nhờ sử

dụng tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix).

• Khả năng chống nhiễu giữa các kênh con rất tốt nhờ việc sử dụng các

sóng mang con trực giao.

• Kỹ thuật OFDM cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song

với tốc độ thấp hơn trên các kênh băng hẹp. Các kênh con này được coi

là các kênh fading không lựa chọn tần số nên có thể dùng các bộ cân

bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin. Nói như vậy, hệ

thống OFDM chống được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số.

- 21 -

t(k-1)T

(k-1)TS

kT

kTS


• Kỹ thuật OFDM là một phương pháp hiệu quả để giải quyết đa đường,

kháng nhiễu băng hẹp tốt vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng một tỷ lệ nhỏ các

sóng mang con.

• Thực hiện đơn giản trong miền tần số bằng cách dùng giải thuật FFT.

Đồng thời máy thu đơn giản do không cần bộ khử ICI và ISI nếu khoảng

dự trữ đủ dài.

Nhược điểm:

• OFDM là tập hợp của tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tín

hiệu lớn nên có tỷ số công suất đỉnh/trung bình tương đối lớn sẽ làm hạn

chế hiệu suất của bộ khuếch đại âm tần.

• Mất mát hiệu suất phổ do chèn khoảng dự trữ.

• Nhiễu pha do sự không phối hợp giữa các bộ dao động ở máy phát và

máy thu, có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống.

• Phải có sự đồng bộ chính xác về tần số và thời gian, đặc biệt là tần số.

Như vậy, kỹ thuật OFDM là giải pháp rất phù hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc

độ cao nói chung và cho công nghệ Wimax nói riêng. Theo phân tích về kỹ thuật

OFDM như trên , dung lượng của hệ thống sẽ được đánh giá thông qua số lượng các

sóng mang con được điều chế. Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều

yếu tố như độ rộng kênh, mức độ nhiễu, kiểu điều chế,… Con số này (sóng mang

con) tương ứng với kích thước FFT. Cụ thể như chuẩn 802.16-2004 xác định rõ 256

sóng mang con, tương ứng với kích thước FFT 256 độ rộng kênh độc lập, chuẩn

802.16e-2005 cung cấp kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 tương ứng với độ rộng kênh

từ 5 MHz đến 20 MHz để duy trì khoảng cách tương đối không đổi của ký hiệu và

khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh. Như vậy, với

công nghệ OFDM, nhờ sự kết hợp của các sóng mang con trực giao truyền song

song với các ký hiệu có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông

rộng không bị hạn chế do môi trường không theo tầm nhìn thẳng NLOS và nhiễu do

hiện tượng đa đường dẫn.

- 22 -


2.3. KỸ THUẬT OFDMA

2.3.1. Khái niệm

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phân

tần trực 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, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào

tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu

cầu lưu luợng cụ thể.

2.3.2. 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

truyền nhận 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)

- 23 -


Hình 2.6. ODFM và OFDMA

Hình 2.7 mô tả một ví dụ về bảng tần số - thời gian của OFDMA, trong đó có 7

người 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.

a d a d a da d a d a d

a c e a c e a c e

a c e a c e a c e

b e g b e g b e g

b e g b e g b e g

b f g b f g b f g

b f g b f g b f g

Hình 2.7. 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 thời gian.

2.3.3. OFDMA nhảy tần

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 khe thời 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 tập theo 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. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward Error Correcting- FEC)

trên các bước nhảy, 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 mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu

- 24 -

f

t


nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào user và năng lượng nhiễu trong trường

hợp xấu nhất.

a bc

c ba

b cb a

ca

Hình 2.8. 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 bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào.

Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 2.9 cho N sóng

mang phụ, nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao.

a f e d c bb a f e d cc b a f e dd c b a f ee d c b a ff e d c b a

Hình 2.9. 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau

2.3.4. Hệ thống OFDMA

- 25 -

t

f

t

f


Hình 2.10. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM

Nguồn tín hiệu được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp

điều chế như QPSK, M-QAM….Tín hiệu dẫn đường (bản tin dẫn đường, kênh hoa

tiêu - pilot symbol) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín

hiệu OFDM thông qua biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ GI. Luồng tín hiệu số

được chuyển thành tín hiệu tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten

phát. Tín hiệu này sẽ bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng AWGN (Addictive

White Gaussian Noise ).

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu,

được phát kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ

thống.

- 26 -

Điềuchế băng tần gốc

Chèn Pilot symbol

IFFT Chèn GI

ADC

DACChèn GI

IFFT

Tách Pilot symbol

Cân bằng kênh

Khôi phục kênh truyền

Giải điều chế băng tần gốc

Kênh truyền


Hình 2.11. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA

Phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát. Để khôi phục tín hiệu

phát thì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm. Tín

hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu.

Luồng thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng thứ hai là

mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại được đưa đến

bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.

2.4. ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI

Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chế tín

hiệu phụ thuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến. Khi liên kết vô tuyến chất

lượng cao, sơ đồ điều chế cao nhất được sử dụng, đưa ra hệ thống dung lượng lớn

hơn.

Hình 2.12. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi

- 27 -

Data carriers

Total Frequency band

Pilot Carriers

Frequency guard Band Frequency Guard Band


Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể dịch đến một sơ đồ

điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng kết nối và ổn định liên kết. Đặc điểm này

cho phép hệ thống khắc phục fading lựa chọn thời gian.

2.5. CÔNG NGHỆ SỬA LỖI

Các công nghệ sửa lỗi đã được sử dụng trong WiMAX để đạt các yêu cầu về tỉ

số tín hiệu trên tạp âm hệ thống. Các thuật toán FEC, mã hóa xoắn và chèn được

dùng để phát hiện và sửa các lỗi cải thiện thông lượng. Các công nghệ sửa lỗi mạnh

giúp khôi phục các khung bị lỗi mà có thể bị mất do fading lựa chọn tần số và các

lỗi cụm. Tự động yêu cầu lặp lại (ARQ) được dùng để sửa lỗi mà không thể được

sửa bởi FEC, gửi lại thông tin bị lỗi. Điều này có ý nghĩa cải thiện chất lượng tỉ lệ

lỗi bit (BER) đối với một mức ngưỡng như nhau.

2.6. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Các thuật toán điều khiển công suất được dùng để cải thiện chất lượng toàn bộ

hệ thống, nó được thực hiện bởi trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến

mỗi CPE để điều chỉnh mức công suất truyền sao cho mức đã nhận ở trạm gốc thì ở

một mức đã xác định trước. Trong môi trường fading thay đổi động, mức chỉ tiêu đã

định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất thỏa mãn yêu cầu này. Điều

khiển công suất giảm sự tiêu thụ công suất tổng thể của CPE và nhiễu với những

trạm gốc cùng vị trí. Với LOS, công suất truyền của CPE gần tương ứng với khoảng

cách của nó đến trạm gốc, với NLOS, tùy thuộc nhiều vào độ hở và vật cản.

2.7. CÁC CÔNG NGHỆ ANTEN TIÊN TIẾN

Công nghệ anten có thể dùng để cải thiện truyền dẫn theo hai cách – sử dụng

công nghệ phân tập và sử dụng các hệ thống anten và các công nghệ chuyển mạch

tiên tiến. Các công nghệ này có thể cải thiện tính co dãn và tỉ số tín hiệu trên tạp âm

nhưng không bảo đảm phát dẫn sẽ không bị ảnh hưởng của nhiễu.

- 28 -


2.7.1. Phân tập thu và phát

Các lược đồ phân tập được sử dụng để lợi dụng các tín hiệu đa đường và phản

xạ xảy ra trong các môi trường NLOS. Bằng cách sử dụng nhiều ăng ten (truyền

và/hoặc nhận), fading, nhiễu và tổn hao đường truyền có thể được làm giảm. Phân

tập truyền sử dụng mã thời gian không gian STC. Đối với phân tập nhận, các công

nghệ như kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) mang lại ưu điểm của hai đường thu riêng biệt.

Về MISO (nhiều đầu vào một đầu ra).

Hình 2.13. MISO

Mở rộng tới MIMO, sử dụng MIMO cũng sẽ nâng cao thông lượng và tăng các

đường tín hiệu. MIMO sử dụng nhiều ăng ten thu và/hoặc phát cho ghép kênh theo

không gian. Mỗi ăng ten có thể truyền dữ liệu khác nhau mà sau đó có thể được giải

mã ở máy thu. Đối với OFDMA, bởi vì mỗi sóng mang con là các kênh băng hẹp

tương tự, fading lựa chọn tần số xuất hiện như là fading phẳng tới mối sóng mang.

Hiệu ứng này có thể sau đó được mô hình hóa như là một sự khuếch đại không đổi

phức hợp và có thể đơn giản hóa sự thực hiện của một máy thu MIMO cho

OFDMA.

- 29 -


Hình 2.14. MIMO

2.7.2. Các hệ thống anten thích nghi

Các hệ thống anten thích nghi (Adaptive Antenna systems – AAS) là một phần

tùy chọn. Các trạm gốc có trang bị AAS có thể tạo ra các chùm mà có thể được lái,

tập trung năng lượng truyền để đạt được phạm vi lớn hơn. Khi nhận, chúng có thể

tập trung ở hướng cụ thể của máy thu. Điều này giúp cho loại bỏ nhiễu không mong

muống từ các vị trí khác.

Hình 2.15. Beam Shaping

- 30 -


Hình 2.16. AAS đường xuống


Chương 2 đã trình bày các đặc điểm kỹ thuật của WiMAX, nổi bật là các kỹ

thuật OFDM, OFDMA, cùng với các kỹ thuật điều chế thích nghi, sửa lỗi và các hệ

thống anten thông minh. Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét đến kiến trúc

mạng truy cập WiMAX.

- 31 -


Chương 3KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX


Trong chương 2, chúng ta đã tìm hiểu về các kỹ thuật được sử dụng trong

WiMAX, trong chương này, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu về cấu trúc của mạng

WiMAX bao gồm mô hình tham chiếu, các phân lớp MAC (Media Access Control -

Điều khiển truy nhập môi trường) và PHY (Physical Layer - Lớp vật lý).

3.2. MÔ HÌNH THAM CHIẾU

Hình 3.1 minh họa mô hình tham chiếu và phạm vi của chuẩn. Trong mô hình

tham chiếu này, lớp PHY tương ứng với lớp 1 (lớp vật lý) và lớp MAC tương ứng

với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) trong mô hình OSI.

Hình 3.1. Mô hình tham chiếu [5]

- 32 -


Hình 3. 2 Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16

Tại trạm thu, phần cứng WiMAX tiếp nhận dữ liệu từ các lớp cao. Hình 3.3 mô

tả hướng di chuyển của luồng dữ liệu qua các lớp. Mỗi lớp sẽ thực hiện

encapsulation (đóng gói) dữ liệu nhận được từ các lớp trên. Tại lớp thấp nhất, dữ

liệu được truyền dưới dạng bit qua môi trường truyền đến nơi nhận. Tại trạm thu,

dữ liệu sẽ được decapsulation (mở gói) để lấy các thông tin cần thiết và các thông

tin này được gửi lên các lớp cao hơn.

Hình 3.3. Luồng dữ liệu qua các lớp

Giữa lớp con phần chung MAC và lớp con bảo mật không định nghĩa điểm truy

nhập dịch vụ. Các packet từ lớp con phần chung MAC không được encapsulation

tại lớp con bảo mật. Phần tiêu đề lớp con phần chung MAC sẽ biểu thị thông tin mã

hóa payload. Quá trình mã hóa payload được thực hiện tại lớp con bảo mật.

- 33 -


3.3. LỚP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG (MAC)

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động độc lập với lớp

vật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến. Phần chủ yếu của lớp MAC tập

trung vào việc quản lý tài nguyên trên airlink (liên kết vô tuyến). Giải quyết được

bài toán yêu cầu tốc độ dữ liệu cao trên cả hai kênh downlink và uplink. Các cơ chế

điều khiển truy cập và thuật toán cấp phát băng thông hiệu quả có khả năng đáp ứng

cho hàng trăm đầu cuối trên mỗi kênh.

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng dựa trên kiến trúc tập trung, hỗ

trợ mô hình Point-to-Point, Point-to-Multipoint (PMP) và Mesh. Trạm BS đóng vai

trò trung tâm với một sectorized anten có khả năng điều khiển đồng thời nhiều

sector độc lập.

Các giao thức lớp MAC chuẩn 802.16 là hướng kết nối. Vào thời điểm truy

nhập mạng, mỗi SS sẽ tạo một hoặc nhiều kết nối để truyền tải dữ liệu trên cả hai

hướng (downlink và uplink). Đơn vị lập lịch lớp MAC sẽ sử dụng tài nguyên airlink

để cung cấp các mức QoS phân biệt. Lớp MAC cũng thực hiện chức năng tương

thích liên kết (link adaption) và truyền lại tự động ARQ (Automatic Repeat

Request) nhằm duy trì thông lượng dữ liệu đối đa với tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error

Rates) chấp nhận được. Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cũng điều khiển quá trình

truy nhập và rời khỏi mạng của SS, thực hiện tạo và truyền các đơn vị dữ liệu giao

thức PDU (Protocol Data Unit). Ngoài ra, lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 còn cung

cấp lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ hỗ trợ lớp mạng tế bào ATM (Asynchronous

Transfer Mode) và lớp mạng gói (Packet).

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 bao gồm 3 lớp con

• Lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ (Service-specific Convergency Sublayer –

CS).

• Lớp con phần chung MAC (MAC Common Part Sublayer – CPS).

• Lớp con bảo mật.

- 34 -


3.3.1. Kết nối và địa chỉ

Kết nối

Tất cả các dịch vụ, bao gồm cả các dịch vụ không kết nối (connectionless) đều

được ánh xạ thành các kết nối tương ứng. Mỗi một kết nối đi kèm với các tham số

QoS tương ứng với 4 lớp dịch vụ. Điều này cung cấp một cơ chế cho phép các SS

yêu cầu băng thông, QoS và các tham số lưu lượng từ BS. Cung cấp cơ chế chuyển

tải và định tuyến các gói dữ liệu đến lớp con hội tụ tương ứng. Các kết nối là đơn

hướng, mỗi một kết nối được tham chiếu bởi một giá trị 16 bit định danh kết nối

CID (Connection Identifier). Băng thông được cấp phát liên tục hay được cấp phát

theo yêu cầu trên các kết nối.

Có hai loại kết nối cơ bản: kết nối quản trị (Management Connection) và kết

nối chuyển tải (Transport Connection).

• Kết nối quản trị được sử dụng để truyền các thông báo quản trị.

• Kết nối chuyển tải được sử dụng để truyền dữ liệu.

Kết nối quản trị chia làm ba kiểu: cơ bản (Basic Connection), sơ cấp (Primary

Connection) và thứ cấp (Secondary Connection).

• Basic Connection: được sử dụng để truyền các thông báo ngắn, yêu cầu

độ trễ.

• Primary Connection: được sử dụng để truyền các thông báo quản trị dài

hơn, không yêu cầu độ trễ như các thông báo thực hiện quá trình xác

thực và thiết lập kết nối.

• Secondary Connection: được sử dụng để truyền các thông báo quản trị

chuẩn như SNMP (Simple Network Management Protocol), DHCP

(Dynamic Host Configuration Protocol)…

Transport connnection là các kết nối đơn hướng được sử dụng để chuyển tải dữ

liệu, các tham số QoS và các tham số lưu lượng phù hợp với dịch vụ tương ứng.

Ngoài ra còn có một số các liên kết được dành riêng cho các mục đích khác như kết

nối quảng bá (Broadcast connection), kết nối chuyển tải các báo hiệu xung đột,

thăm dò…

- 35 -


Địa chỉ

Mỗi một trạm SS có một địa chỉ MAC 48 bit duy nhất, được sử dụng định danh

SS hoặc được sử dụng trong quá trình xác thực.

Mỗi một trạm BS cũng có 1 địa chỉ 48 bit định danh trạm nhưng không phải là

địa chỉ MAC.

CID được xem như là địa chỉ sơ cấp sau khi được khởi tạo và được sử dụng

trong quá trình hoạt động của hệ thống.

3.3.2. Lớp con hội tụ MAC

Lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ tiếp nhận các gói dữ liệu từ các lớp cao thông qua

các điểm truy nhập dịch vụ lớp con hội tụ CS SAP (CS Service Access Point), ánh

xạ thành các đơn vị dữ liệu dịch vụ lớp MAC SDU (Service Data Unit). MAC SDU

là các đơn vị dữ liệu được trao đổi giữa hai lớp giao thức kế cận nhau. Các MAC

SDU này được chuyển đến lớp con phần chung MAC thông qua các điểm truy nhập

dịch vụ lớp con phần chung (CPS SAP). Tại lớp con phần chung MAC, các SDU

được phân loại và kết hợp với một giá trị định danh luồng dịch vụ SFID (Service

Flow Identifier) và một CID. Ngoài ra, lớp con hội tụ còn thực hiện các chức năng

phức tạp khác như PHS (Payload Header Suppression) và Reconstruction nhằm làm

tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên.

Lớp con hội tụ chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa hai đặc tả cho việc ánh xạ các

dịch vụ:

• Lớp con hội tụ ATM dành cho các dịch vụ ATM.

• Lớp con hội tụ packet: được định nghĩa cho việc ánh xạ các dịch vụ gói như

IPv4 hoặc IPv6, Ethernet và VLAN (Virtual Local Area Network).

Ba đặc tả Packet CS:

• IP Specific: Sử dụng để chuyển tải các frame IP. Hỗ trợ IPv4, Ipv6 và

mobile IP.

• IEEE Std 802.3/Ethernet: Sử dụng để chuyển tải các frame 802.3 Ethernet

qua mạng 802.16.

- 36 -


• IEEE Std 802.1Q-1998 VLAN: Sử dụng để chuyển tải các frame 802.1Q

VLAN tagged qua mạng 802.16.

3.3.3. Lớp con phần chung MAC

Lớp con phần chung MAC (CPS) hỗ trợ kiến trúc Point-to-Multipoint. Một

trạm gốc BS (Base Station) có thể gửi thông tin đến các trạm thuê bao SS

(Subcrible Station) và nhận thông tin từ các SS. BS định nghĩa hai đơn vị uplink-

MAP (UL-MAP) và downlink-MAP (DL-MAP) chứa thông tin mô tả kênh được

phân chia thành các khe thời gian. Quá trình ranging, truyền dữ liệu và cấp phát

băng thông được thực hiện tại các khe thời gian riêng biệt.

BS và SS liên lạc với nhau qua các liên kết được đặc trưng bởi giá trị CID

được gán trong quá trình thiết lập liên kết. Một SS có thể sử dụng nhiều kết nối. Các

kết nối có thể là unicast (một BS và một SS sử dụng kết nối) hoặc ở dạng multicast

(một BS và một số SS sử dụng chung một kết nối).

Lớp con CPS cũng chịu trách nhiệm cấp phát băng thông. Băng thông được cấp

phát cho một trạm SS mới cũng như cấp bổ sung cho một trạm SS nếu có yêu cầu.

Một số các kết nối của SS có các mức QoS khác nhau, do đó băng thông cấp phát

cho từng kết nối phụ thuộc vào mức QoS tương ứng của kết nối. Trong quá trình

cấp phát băng thông, trạm SS sẽ nhận 2 thông báo: UL-MAP và DL-MAP. Thông

báo UL-MAP chứa tham chiếu đến các khe (slot) cho phép SS gửi dữ liệu đến BS

và thông báo DL-MAP chứa tham chiếu đến các khe cho phép SS nhận dữ liệu từ

BS.

Các định dạng MAC PDU

MAC-BS và MAC-MS trao đổi các bản tin, và các bản tin này được xem như

các PDU, một PDU có chiều dài tối đa là 2048 byte.

Hình 3.4. Định dạng MAC PDU

- 37 -


Trên hình ta có thể thấy bản tin bao gồm ba phần: tiêu đề MAC chiều dài cố

định là 6 byte, payload chiều dài thay đổi và phần kiểm tra lỗi dư vòng CRC (Cyclic

Redundancy Check). Ngoại trừ các PDU yêu cầu dải thông (không có payload), các

MAC PDU có thể chứa hoặc các bản tin quản lý MAC hoặc dữ liệu lớp con hội tụ -

MAC SDU. Payload là tùy chọn, CRC cũng tùy chọn và chỉ được sử dụng nếu MS

yêu cầu trong các tham số QoS.

Có hai loại tiêu đề MAC: tiêu đề MAC chung (GMH) và tiêu đề MAC yêu cầu

dải thông (BR). GMH được sử dụng để truyền dữ liệu hoặc các bản tin quản lý

MAC. Tiêu đề BR được sử dụng bởi MS để yêu cầu nhiều dải thông hơn trên UL.

Tiêu đề MAC và các bản tin quản lý MAC không được mã hóa.

Định dạng tiêu đề MAC chung.

Hình 3.5. Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung

Trên hình 3.5, minh họa định dạng của một tiêu đề MAC chung. Ý nghĩa các

trường được giải thích trong bảng trong bảng 3.1.

TênChiều

dài (bit)Mô tả

CI 1

Chỉ thị CRC.

Nếu CI=1 thì CRC được gắn vào payload PDU sau khi mã hóa

(nếu có). Nếu CI= 0 thì không chứa CRC.

CID 16 Định danh kết nối

- 38 -


EC 1

Điều khiển mã hóa

0 = Payload không được mã hóa

1 = Payload được mã hóa

ESK 2

Tuần tự khóa mã hóa

Chỉ số của khóa mã hóa lưu lượng (TEK) và vector khởi tạo

được sử dụng để mã hóa payload. Trường này chỉ có ý nghĩa khi

trường EC được thiết lập là 1.

HCS 8

Tuần tự kiểm tra tiêu đề

Một trường 8 bit được sử dụng để phát hiện các lỗi trong tiêu đề.

Bên phát sẽ tính toán giá trị HCS cho 5 byte đầu tiên của tiêu đề,

chèn kết quả vào trường HCS (byte cuối cùng của tiêu đề MAC).

HT 1 Loại tiêu đề. Được thiết lập là 0.

LEN 11Chiều dài. Chiều dài tính theo byte của MAC PDU mà bao gồm

tiêu đề MAC và CRC nếu có.

Type 6Trường này chỉ ra các loại tiêu đề con và payload đặc biệt có mặt

trong payload bản tin.

Bảng 3.1. Các trường tiêu đề MAC chung

Định dạng tiêu đề MAC yêu cầu dải thông.

PDU yêu cầu dải thông chỉ chứa tiêu đề yêu cầu dải thông và sẽ không chứa

payload. Trên hình 3.6, minh họa định dạng của một tiêu đề MAC chung, ý nghĩa

các trường được giải thích trong bảng trong bảng 3.2.

- 39 -


Hình 3.6. Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông

TênChiều

dài (bit)Mô tả

HT 1 Loại tiêu đề. Được thiết lập là 0.

CI 1

Chỉ thị CRC

1 = CRC được gắn vào payload PDU sau khi mã hóa, nếu

có.

0 = Không chứa CRC.

EC 1

Điều khiển mã hóa

0 = Payload không được mã hóa

1 = Payload được mã hóa

Type 3Trường này chỉ ra các loại tiêu đề con và payload đặc biệt

có mặt trong payload bản tin.BR 19 Băng thông yêu cầu

CID 16 Định danh kết nối

HCS 8

Tuần tự kiểm tra tiêu đề

Một trường 8 bit được sử dụng để phát hiện các lỗi trong

tiêu đề. Bên phát sẽ tính toán giá trị HCS cho 5 byte đầu

tiên của tiêu đề, chèn kết quả vào trường HCS (byte cuối

cùng của tiêu đề MAC).

Bảng 3.2. Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông

3.3.4. Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông

• Yêu cầu

- 40 -


Cơ chế yêu cầu băng thông được trạm SS sử dụng để thông báo cho trạm BS

cần cấp phát băng thông. Thông báo yêu cầu băng thông có thể là tiêu đề yêu cầu

băng thông hoặc thông báo PiggyBack.

Các yêu cầu băng thông chia làm bốn kiểu:

o Implicit request: Trong thực tế, kiểu yêu cầu này là những thỏa thuận tại

thời điểm thiết lập kết nối.

o Bandwidth Request message: Có hai kiểu thông báo incremental hoặc

aggregate. Khi trạm BS nhận được một thông báo yêu cầu băng thông

kiểu incremental, sẽ cấp phát bổ sung một lượng băng thông theo yêu cầu

cho kết nối. Ngược lại, khi trạm BS nhận được một thông báo yêu cầu

băng thông kiểu aggregate, sẽ cấp phát một lượng băng thông thay thế

cho lượng băng thông hiện tại. Trường Type trong tiêu đề yêu cầu băng

thông chỉ thị kiểu thông báo yêu cầu băng thông là incremetal hay

aggregate.

o PiggyBacked request (cho các dịch vụ khác UGS): Được chứa trong tiêu

đề con Grant Management, không có trường Type, do đó mặc định kiểu

incremental.

o Poll-Me bit (chỉ cho dịch vụ UGS): Được trạm BS sử dụng để thăm dò

băng thông cho các dịch vụ khác UGS.

• Cấp phát

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp hai kiểu cấp phát băng thông cho trạm

SS, được phân biệt ở hình thức cấp phát băng thông cho mỗi kết nối hay cấp phát

băng thông cho mỗi trạm SS. Cả hai kiểu cấp phát đều yêu cầu băng thông trên các

kết nối, cho phép các trạm BS điều chỉnh các yêu cầu QoS cho phù hợp khi tiến

hành cấp phát băng thông.

Hai kiểu cấp phát băng thông được định nghĩa:

o Cấp phát trên mỗi kết nối GPC (Grant per Connnection): Băng thông

được BS cấp phát riêng cho mỗi kết nối, và SS sử dụng băng thông được

cấp phát chỉ cho kết nối đó. Thích hợp trong trường hợp số lượng các

- 41 -


kết nối hạn chế trên mỗi trạm SS.

o Cấp phát trên mỗi trạm thuê bao GPSS (Grant per SubScrible): Băng

thông được BS cấp phát toàn bộ tương ứng với yêu cầu của SS. SS chịu

trách nhiệm phân phối lượng băng thông được cấp phát cho các kết nối,

duy trì mức QoS trên các kết nối và thỏa thuận các mức dịch vụ. Thích

hợp trong trường hợp có nhiều kết nối trên mỗi trạm SS.

Trong thực tế, một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cấp phát băng thông như:

Trạm BS không nhận được thông báo yêu cầu băng thông hay trạm SS không nhận

được băng thông được cấp do lỗi lớp vật lý, hoặc trạm BS không cung cấp đủ lượng

băng thông theo yêu cầu…

Do đó, trong cả hai kiểu cấp phát, lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 sử dụng cơ

chế tự sửa lỗi (self-correcting) thay cho cơ chế gửi acknowledge. Cơ chế self-

correcting ít tốn băng thông và độ trễ nhỏ hơn cơ chế acknowledge.

Đối với cơ chế tự sửa lỗi, các yếu tố gây ảnh hưởng đến quá trình cấp phát

băng thông sẽ được giải quyết cùng một lúc. Sau một khoảng thời gian timeout

thích hợp, trạm SS sẽ gửi Banwidth Request đến trạm BS. Thông thường loại thông

báo yêu cầu là incremental nghĩa là trạm SS yêu cầu bổ sung băng thông cho một

kết nối. Tuy nhiên đôi lúc thông báo yêu cầu băng thông là aggregate nghĩa là trạm

SS yêu cầu băng thông cho toàn bộ các kết nối mà nó quản lí.

• Polling

Cơ chế polling được thực hiện tại BS, là quá trình thăm dò để cấp phát băng

thông cho SS gửi Banwidth Request. Có thể cấp phát cho từng SS riêng biệt hay

cho một nhóm các SS. Có hai kiểu polling:

o Unicast: thăm dò một SS riêng biệt. Nếu như một trạm SS không cần cấp

phát băng thông, nó gửi lại request có độ dài 0 byte.

o Multicast và Broadcast: thăm dò một nhóm hay toàn bộ các trạm do

không đủ băng thông để thăm dò từng trạm SS riêng lẻ.

3.3.5. Cơ chế lập lịch dịch vụ và chất lượng dịch vụ (QoS)

Mục đích chính của việc lập lịch dịch vụ nhằm cung cấp một mức QoS hợp lí

- 42 -


cho luồng lưu lượng nhưng vẫn sử dụng hiệu quả tài nguyên.

Chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa bốn lớp dịch vụ:

o UGS (Unsolicited Grant Service): Được thiết kế để hỗ trợ dịch vụ

Constant Bit Rate (CBR) là loại dịch vụ được sử dụng bởi các kết nối yêu

cầu băng thông cố định và khả dụng liên tục trong thời gian kết nối. Dịch

vụ CBR thường được dùng cho các ứng dụng thời gian thực yêu cầu

nghiêm ngặt về độ trễ và suy hao. Ví dụ các kết nối T1/E1, ứng dụng

VoIP.

o rtPS (Real-time Polling Service): Được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ

liệu thời gian thực trên các kết nối yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ nhưng

lại không yêu cầu băng thông cố định, kích thước gói biến đổi. Ví dụ:

luồng audio/video…

o nrtPS (Non-Real-time Polling Service): Được thiết kế để hỗ trợ các luồng

dữ liệu không đòi hỏi thời gian thực và độ trễ, với kích thước gói biến đổi

và tốc độ dữ liệu tối thiểu đảm bảo. Ví dụ: giao thức truyền tải file FTP,

các dịch vụ ATM GFR (ATM Guaranted Frame Rate)…

o BE (Best Effort): Được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thông thường

không đòi hỏi thời gian thực cũng như độ trễ. Ví dụ: dịch vụ duyệt Web.

Mỗi một kết nối trên kênh uplink được ánh xạ thành một luồng dịch vụ kết hợp

với một lớp dịch vụ cụ thể, được định danh bởi giá trị SFID 32 bit (Service Flow

Identifier).

Mỗi một đơn vị lập lịch dịch vụ là một tập các quy tắc được áp đặt trên bộ lập

lịch (scheduler) của trạm BS. Mỗi một kết nối tương ứng với một dịch vụ dữ liệu

riêng, đi kèm với các tham số QoS tương ứng và được thương lượng tại thời điểm

thiết lập kết nối.

Khi các packet đã được phân loại tại lớp con hội tụ, mỗi một packet sẽ được kết

hợp với một lớp QoS thích hợp với yêu cầu của ứng dụng. Kiến trúc chuẩn IEEE

802.16 hỗ trợ đồng thời nhiều luồng dữ liệu với các mức QoS phân biệt bao gồm:

thoại, VoIP, video luồng, TFTP, HTTP và email.

3.3.6. Lớp con bảo mật

Toàn bộ bảo mật của 802.16 dựa vào lớp con bảo mật. Lớp con bảo mật là lớp

con giữa MAC CPS và lớp vật lý. Mục tiêu của nó là để cung cấp điều khiển truy

- 43 -


nhập và sự cẩn mật của liên kết dữ liệu, chụi trách nhiệm mã hóa và giải mã dữ liệu

mà đưa đến và đi ra khỏi lớp vật lý PHY và cũng được sử dụng cho cấp phép và

trao đổi khóa bảo mật, Ngăn chặn đánh cắp dịch vụ. Bảo mật của 802.16 gồm các

thành phần sau: các tập hợp bảo mật (SA), chứng nhận X.509, giao thức cấp phép

quản lý khóa riêng tư (authorization PKM), quản lý khóa và riêng tư (PKM) và mã

hóa dữ liệu.

3.4. LỚP VẬT LÝ

Lớp vật lý cung cấp kết nối vô tuyến giữa BS và SS. Chuẩn IEEE 802.16 định

nghĩa các kỹ thuật khác nhau để truyền thông tin qua môi trường vô tuyến.

Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ 2 băng tần: băng tần 10-66 GHz và 2-11 GHz.

• Băng tần 10-66 GHz hỗ trợ cho các môi trường truyền dẫn yêu cầu tầm nhìn

thẳng LOS, không có vật cản giữa trạm phát và trạm thu. Đặc tả giao tiếp

không gian (air interface) tại băng tần 10-66 Ghz được gọi là WirelessMAN-

SC, sử dụng phương thức truy cập TDMA (Time Division Multiplexing

Access) cho hướng truyền uplink và phương thức truy cập TDM (Time

Division Multiplexing) cho hướng truyền downlink.

• Băng tần 2-11 GHz (cấp phép và không cấp phép) hỗ trợ môi trường truyền

dẫn không có tầm nhìn thẳng NLOS, tín hiệu có thể truyền qua các vật cản

theo nhiều cách khác nhau.

Có 5 đặc tả lớp vật lý chuẩn IEEE 802.16 được mô tả trong bảng bên dưới:

Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16

- 44 -


Lớp vật lý chuẩn IEEE 802.16 sử dụng phương pháp điều chế OFDM, băng tần

được chia thành nhiều sóng mang con trực giao với nhau nhằm đạt được thông

lượng dữ liệu và khoảng cách truyền tối đa, chống nhiễu hiệu quả.

Ngoài ra, lớp vật lý còn cung cấp một số phương thức điều chế nhiều mức như

BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM…cho phép truyền nhiều đơn vị thông tin trên

một đơn vị thời gian.

Lớp vật lý hỗ trợ cả 2 phương thức truyền song công : song công phân chia

theo thời gian TDD (Time Division Duplex) và song công phân chia theo tần số

FDD (Frequency Division Duplex). Chế độ TDD sử dụng các khe thời gian, mỗi

một SS được BS cấp cho các khe thời gian sử dụng để truyền và nhận dữ liệu, cho

phép dữ liệu truyền không đồng thời trên cả hai hướng uplink và downlink nhưng

có thể sử dụng chung tần số. Chế độ song công FDD phân chia thành hai kênh

uplink và downlink hoạt động trên hai tần số riêng biệt, cho phép truyền dữ liệu

đồng thời trên cả hai hướng.

Các quá trình Ranging và DFS (Dynamic Frequency Selection) được thực thi

tại lớp vật lý.

• Ranging là quá trình thực hiện điều chỉnh công suất phát của trạm BS đến

trạm SS phù hợp với vị trí của trạm SS.

• DFS là quá trình tự động quét dải tần dành riêng cho SS để tìm một tần số

hoạt động phù hợp.


Chương này đã trình bày kiến trúc mạng truy cập WiMAX bao gồm lớp PHY

và chủ yếu là lớp MAC. Với sự tập trung vào lớp MAC, chương này sẽ giúp chúng

ta tìm hiểu về bảo mật trong hệ thống WiMAX, diễn ra chủ yếu ở lớp MAC được

trình bày ở chương tiếp theo.

- 45 -

Chương 4: Kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16

Chương 4

KIẾN TRÚC BẢO MẬT CHUẨN IEEE 802.16


Trong môi trường Internet, hệ thống WiMAX phải đối mặt với nguy cơ bị đe

dọa tấn công bởi nhiều phương thức khác nhau. Hệ thống WiMAX có thể bị tấn

công ở lớp vật lý hay lớp MAC. Các phương thức tấn công tại lớp vật lý có thể là

Jamming hay Scrambling.

• Jamming là phương thức tấn công sử dụng một nguồn phát tín hiệu có

công suất lớn để gây nhiễu trạm BS.

• Scrambling là phương thức tấn công nhằm mục đích chiếm dụng băng

thông của SS yêu cầu từ các BS. [8]

Trong mô hình phân lớp, lớp con bảo mật nằm trên lớp vật lý, do đó lớp vật lý

không được bảo vệ. Tuy nhiên trong khuôn khổ chương này chỉ trình bày cơ chế

bảo mật được thực hiện tại lớp con bảo mật chuẩn IEEE 802.16.

Thực thi bảo mật cho hệ thống WiMAX nhằm bảo vệ tính riêng tư cho các SS

để chống lại các nguy cơ đe dọa tấn công và ngăn chặn các truy cập trái phép từ bên

ngoài. Cơ chế bảo mật được thực thi trên cơ sở mã hóa các kết nối giữa BS và SS,

gồm một số thủ tục cơ bản như xác thực, điều khiển truy cập, mã hóa thông báo,

quản lí khóa …

4.2. KIẾN TRÚC BẢO MẬT

Lớp MAC có thể bị tấn công trong quá trình xác thực hoặc trong quá trình

truyền dữ liệu trên các kết nối. Trong quá trình xác thực, BS và SS sử dụng các

thông báo quản trị để trao đổi thông tin. Do đó, các thông báo này có thể bị nghe

trộm hoặc bị thay đổi nội dung nếu như không được mã hóa. Trong quá trình truyền

dữ liệu, luồng lưu lượng cũng có thể bị nghe trộm hoặc bị mất.

Mô hình kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16 được mô tả bên dưới.

- 46 -


Hình 4.1. Mô hình kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16 [7]

Một SS trước khi truyền dữ liệu phải thực hiện xác thực với BS để được cấp

quyền truy nhập hệ thống. Luồng dữ liệu trước khi được truyền từ BS đến SS cần

được xác thực. Sau khi được cấp quyền, dữ liệu trong phần payload của MAC PDU

sẽ được mã hóa trước khi truyền. Tại máy thu cũng thực hiện xác thực dữ liệu, trao

đổi các thông tin cần thiết để giải mã dữ liệu. Tất cả các quá trình này được thực

hiện tại lớp con bảo mật.

Lớp con bảo mật có hai giao thức thành phần:

• Giao thức đóng gói các gói dữ liệu đã được mã hóa để truyền qua mạng.

Giao thức này được định nghĩa gồm hai thành phần. Thành phần thứ

nhất là một tập các bộ mã hóa (cryptographic suite) được hỗ trợ. Bộ mã

hóa là một tập hợp các phương thức mã hóa dữ liệu, xác thực dữ liệu và

trao đổi khóa mã hóa lưu lượng (TEK). Thành phần thứ hai là các quy

tắc được áp dụng cho các thuật toán mã hóa PDU payload.

• Giao thức quản lí khóa PKM (Privacy and Key Management): cung cấp

cơ chế bảo vệ quá trình phân phối khóa từ BS đến SS. Thông qua giao

- 47 -


thức này, BS và SS có thể đồng bộ khóa dữ liệu với nhau, ngoài ra, BS

có thể sử dụng để thiết lập quyền truy cập hệ thống đối với các SS.

4.2.1. Tập hợp bảo mật

Tập hợp bảo mật - Security Association (SA) là khái niệm gồm một tập hợp

các thông tin bảo mật cho các kết nối gồm các khóa và các thuật toán mã hóa. SA

được chia sẻ giữa một BS và các SS nhằm bảo vệ quá trình liên lạc giữa BS và SS.

Mỗi một SA chứa một danh sách các bộ mã hóa (các thuật toán mã hóa được lựa

chọn), các khóa mã hóa lưu lượng TEK (Traffic Encryption Key) và các vector khởi

tạo (initialization vector) và được tham chiếu bởi một giá trị định danh SAID (SA

Identifier) 16 bit.

Có ba loại SA: primary SA, static SA và dynamic SA.

• Mỗi SS có một primary SA, được thiết lập tại thời điểm khởi tạo kết nối.

• Static SA được BS tạo trong quá trình khởi tạo SS, BS có thể cung cấp

nhiều dịch vụ, mỗi dịch vụ tương ứng với một static SA.

• Dynamic SA được tạo ra khi một luồng lưu lượng mới xuất hiện và bị

hủy bỏ khi luồng lưu lượng bị hủy.

Static SA và Dynamic SA có thể chia sẻ cho nhiều SS.

Kết nối quản trị basic và primary không được ánh xạ sang các SA tương ứng,

nhưng các thông báo truyền trên hai kết nối này có thể được bảo vệ. Mỗi một kết

nối quản trị secondary được ánh xạ thành một Primary SA. Tất cả các kết nối

Transport luôn được ánh xạ thành các SA có sẵn, riêng kết nối multicast Transport

được ánh xạ thành static SA hay dynamic SA bất kỳ.

4.2.2. Giao thức quản lí khóa PKM

Chuẩn IEEE 802.16 sử dụng giao thức PKM để thiết lập liên kết bảo mật giữa

BS và SS. SS sử dụng giao thức PKM để yêu cầu BS chứng thực và một khóa thực

để trao đổi. Ngoài ra, giao thức PKM còn hỗ trợ SS thực hiện yêu cầu chứng thực

lại (reauthorization) và cập nhật khóa. PKM sử dụng chứng thực X.509, thuật toán

- 48 -


mã hóa public key RSA, và các thuật toán mã hóa mạnh để thực hiện trao đổi khóa

giữa BS và SS.

Giao thức PKM sử dụng mô hình client-server. Trạm SS đóng vai trò là các

client gửi yêu cầu chứng thực đến BS, đóng vai trò là server có trách nhiệm đáp ứng

yêu cầu mà các client gửi đến. Mô hình này bảo đảm mỗi một SS chỉ có duy nhất

một khóa thực đã được chứng thực. Các thông báo quản trị lớp MAC (PKM-REQ

và PKM-RES) được sử dụng trong giao thức PKM.

4.3. QUY TRÌNH BẢO MẬT

Quy trình bảo mật trong hệ thống WiMAX gồm ba bước [7]

Hình 4.2. Quy trình bảo mật

• Xác thực (Authentication)

Trạm SS thực hiện xác thực với BS bằng cách gửi thông báo yêu cầu xác thực

(chứng thực X.509). BS thực hiện xác thực SS và thương lượng khả năng bảo mật

với SS (các thuật toán mã hóa mà SS hỗ trợ), sau khi thương lượng, một SA được

tạo và được tham chiếu bởi giá trị SAID. Tiếp đó, SS gửi thông báo Authorization

Request yêu cầu cấp quyền truy cập. BS sẽ kiểm tra và gửi lại thông báo

Authorization Reply chứa khóa AK (Authentication Key) cho SS được sử dụng

trong quá trình trao đổi khóa. Quá trình xác thực hoàn tất khi cả BS và SS đều giữ

khóa AK.

- 49 -


• Trao đổi khóa dữ liệu (Data Key Exchange)

Trạm SS gửi thông báo TEK Key Request yêu cầu BS cấp cho một khóa mã

hóa lưu lượng TEK (Traffic Encryption Key), được sử dụng trong quá trình mã hóa

dữ liệu. BS sau khi kiểm tra lại các thông tin được SS gửi đến, nếu các thông tin

hợp lệ, BS sẽ tạo ngẫu nhiên một khóa TEK và gửi lại cho SS thông báo TEK Key

Respond chứa khóa TEK. Quá trình trao đổi khóa dữ liệu hoàn tất khi cả BS và SS

đều giữ khóa TEK.

• Mã hóa dữ liệu

Sau khi quá trình trao đổi khóa dữ liệu đã thực hiện xong, SS tiến hành mã hóa

dữ liệu trước khi truyền. Quá trình mã hóa chỉ được thực hiện cho phần payload của

MAC PDU. Các thông báo quản trị không được mã hóa.

4.3.1. Xác thực

Quá trình xác thực được trình bày trên hình

Hình 4.3. Quá trình xác thực SS với BS

Đầu tiên, SS gửi thông báo Authentication Information chứa chứng thực X.509

(RFC 3280) của nhà sản xuất SS [8]. Chứng thực này gồm một public key và một

- 50 -


địa chỉ MAC của SS. Tiếp đó, SS gửi thông báo Authorization Request cho BS,

thông báo này yêu cầu BS cấp cho một khóa AK và các giá trị SAID định danh các

Static SA tương ứng với các dịch vụ mà SS đã đăng kí. Thông báo Authorization

Request bao gồm:

o Một chứng thực X.509 của nhà sản xuất SS.

o Một bộ mã hóa (Cryptographic Suite) mà SS hỗ trợ. Mỗi một đơn vị

trong bộ mã hóa bao gồm một cặp thuật toán mã hóa và xác thực gói dữ

liệu mà SS hỗ trợ.

o Một giá trị SAID tương ứng với Primary SA.

Sau khi nhận được thông báo Authorization Request, BS tiến hành xác thực SS

dựa vào các thông tin trong thông báo Authorization Request. Sau khi đã định danh

được SS là hợp pháp và xác định được các thuật toán mã hóa và các giao thức được

SS hỗ trợ, BS sẽ sử dụng public key của SS để tạo khóa AK (128 bit). Sau đó BS

gửi thông báo Authorization Reply cho SS, thông báo Authorization Reply bao

gồm:

o Một khóa AK.

o Một số tuần tự khóa (0-15) để phân biệt các khóa AK với nhau.

o Một giá trị thời gian sống (life-time) của khóa AK. Giá trị này trong

khoảng 1-70 ngày, mặc định là 7 ngày.

o Một giá trị SAID tương ứng với Primary SA và một hoặc nhiều giá trị

SAID định danh các Static SA tương ứng với các dịch vụ SS đã đăng kí.

Sau một thời gian nhất định, SS thực hiện quá trình yêu cầu cấp quyền lại

(Reauthorization) để cập nhật khóa AK. Quá trình Reauthorization tương tự như

quá trình Authorization ngoại trừ việc SS không gửi thông báo Authentication

Information.

Mỗi khóa AK có một thời gian sống nhất định. Vì cả BS và SS đều hỗ trợ đồng

thời hai khóa AK tồn tại cùng một lúc nên thời gian sống này có thể chồng lên nhau

giữa các AK nhằm tránh tình trạng các dịch vụ bị tạm ngừng đột ngột do giá trị life-

time của khóa hết hạn.

- 51 -


Vì BS xác thực SS bằng chứng thực X.509, do đó có thể tránh được nguy cơ bị

tấn công từ các SS giả danh.

4.3.2. Trao đổi khóa dữ liệu

Quá trình trao đổi khóa dữ liệu được mô tả bên dưới [7]

Hình 4.4. Quá trình trao đổi khóa dữ liệu

Quá trình trao đổi khóa được thực hiện tương ứng với từng dịch vụ mà SS đã

đăng kí trong quá trình thiết lập kết nối. Mỗi dịch vụ tương ứng với một Static SA

và được định danh bởi một giá trị SAID tương ứng.

Sau khi đã nhận được thông báo Authorization Reply, SS sử dụng giá trị khóa

AK để tạo hai khóa gồm: khóa mã hóa khóa (KEK – Key Encryption Key) 128 bit

được sử dụng để mã hóa khóa TEK trong suốt quá trình truyền và khóa xác thực

thông báo (HMAC - Hash functionbased Message Authentication Code) 160 bit.

Tiếp đó SS gửi thông báo TEK Request để yêu cầu BS cấp cho một khóa mã hóa

lưu lượng TEK, khóa này được dùng để mã hóa dữ liệu. Thông báo TEK Request

gồm:

- 52 -


o Số tuần tự khóa AK được cấp trong quá trình xác thực.

o Một giá trị SAID tương ứng với một Static SA của một dịch vụ cụ thể mà

SS đã đăng kí.

o Một giá trị HMAC-SHA1.

Sau khi nhận thông báo TEK Key Request từ SS, BS sử dụng thông tin trong

thông báo TEK Key Request để kiểm tra giá trị khóa AK, nếu phù hợp sẽ tiến hành

tạo ngẫu nhiên một khóa TEK (128 bit). Khóa TEK được tạo bởi các phương thức

Triple-DES (sử dụng 128 bit KEK), hoặc phương thức RSA (sử dụng public key

của SS), hoặc phương thức AES (sử dụng 128 bit KEK). Các phương thức mã hóa

này được chỉ thị bởi giá trị của một đơn vị trong bộ mã hóa. Sau đó, BS gửi thông

báo TEK Key Reply cho SS, thông báo TEK Key Request gồm:

o Số tuần tự khóa AK được cấp trong quá trình xác thực.

o Một giá trị SAID tương ứng với một Static SA của một dịch vụ cụ thể mà

SS đã đăng kí.

o Một khóa TEK đã mã hóa.

o Một giá trị thời gian sống (life-time) của khóa TEK.

o Giá trị CBC-IV (CBC – Inittialization Vector) để mã hóa dữ liệu.

o Một giá trị HMAC-SHA1 để xác thực các thông báo.

Quá trình trao đổi khóa dữ liệu hoàn tất khi cả BS và SS đều giữ khóa TEK.

4.3.3. Mã hóa dữ liệu

Sau khi thực hiện xong quá trình trao đổi khóa, phần dữ liệu payload sẽ được

mã hóa trước khi truyền sử dụng khóa TEK. Riêng các thông báo quản trị thì không

được mã hóa.

- 53 -


Hình 4.5. Định dạng payload trước và sau khi mã hóa

Khối dữ liệu payload sau khi mã hóa được bổ sung hai trường: trường PN

(Packet Number) có độ dài 4 byte biểu thị số tuần tự gói sau khi mã hóa, được tăng

lên một đơn vị mỗi khi một MAC PDU được truyền. Trường Ciphertext ICV

(Ciphertext Integrity Check Value) mô tả giá trị kiểm tra tính toàn vẹn phần payload

đã được mã hóa.

Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ hai thuật toán mã hóa dữ liệu:

o Thuật toán DES (Data Encryption Standard).

o Thuật toán AES (Advanced Encryption Standard).

4.4. HẠN CHẾ CỦA KIẾN TRÚC BẢO MẬT IEEE 802.16

Kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16 sử dụng cơ chế xác thực dựa trên chứng

thực X.509 và các cơ chế mã hóa khóa hiệu quả, nhưng cũng có một số hạn chế sau:

• Không hỗ trợ cơ chế xác thực BS: Cơ chế xác thực chỉ thực hiện theo một chiều

từ SS đến BS. Không có cơ chế để các SS có thể xác thực BS mà nó kết nối tới.

Điều này có thể dẫn đến nguy cơ xuất hiện một BS giả danh một BS hợp pháp

gây nên sự nhầm lẫn cho các SS khi thực hiện kết nối đến BS. Các phương thức

tấn công theo kiểu giả danh này lại phụ thuộc vào kiểu mạng. Ví dụ, đối với

- 54 -


mạng WiFi 802.11, sử dụng phương thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang,

một kẻ tấn công (acttacker) có được ID của AP (Access Point) và tạo một thông

báo với ID hợp pháp, acttacker sẽ chờ cho đến khi môi trường mạng nhàn rỗi và

khi đó truyền thông báo, điều này có thể gây ra sự nhầm lẫn. Tuy nhiên đối với

mạng WiMAX, phương thức trên lại khó thực hiện do hệ thống sử dụng phương

thức đa truy cập phân chia theo thời gian, BS giả danh cũng có thể tạo các thông

báo với định danh của BS thực. BS giả danh phải chờ cho đến khe thời gian

được cấp phát cho BS và truyền cùng thời điểm với BS thực, tuy nhiên nó phải

điều chỉnh cường độ của tín hiệu truyền phải lớn hơn cường độ của tín hiệu

truyền của BS thực. Các trạm SS sẽ nhận và giải mã tín hiệu được gửi từ một BS

giả danh thay cho BS thực.

Do đó, có thể bổ sung vào một chứng thực BS được sử dụng để một SS xác định

chính xác BS mà nó sẽ kết nối tới.

• Không hỗ trợ cơ chế mã hóa các thông báo quản trị: Các thông báo quản trị

không được mã hóa, nhưng được xác thực. Cơ chế xác thực thông báo quản trị

được sử dụng là HMAC (Hashed Message Authentication Code) có nhiều nhược

điểm, do đó nguy cơ bị mất thông tin từ các thông báo bị tấn công sẽ ảnh hưởng

đến hoạt động liên lạc giữa các trạm với nhau.

• Không hỗ trợ một cơ chế hiệu quả chống lại hình thức tấn công từ chối dịch vụ

DoS (Denial of Service): Các attacker có thể sử dụng SS thực hiện gửi yêu cầu

xác thực đến BS với số lượng nhiều và liên tục, làm cho BS mất khả năng xử lí.


Chương 4 này đã trình bày cơ bản về kiến trúc bảo mật và các quy trình thực

hiện bảo mật giữa BS và SS. Ngoài ra, chương này còn nêu lên được các điểm còn

hạn chế của kiến trúc bảo mật IEEE 802.16 dựa trên chứng thực X.509.

- 55 -

Chương 5: Mô phỏng hoạt động hệ thống WiMAX

Chương 5

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG WiMAX


Việc mô phỏng hoạt động của hệ thống WiMAX nhằm mục đích kiểm chứng

lại những lí thuyết đã nghiên cứu như quá trình truy nhập hệ thống, cơ chế yêu cầu

và cấp phát băng thông, cơ chế lập lịch dịch vụ và quá trình trao đổi một số các

thông báo báo hiệu như UL-MAP, DL-MAP, UCD và DCD, các thông báo ranging

(RNGREQ và RNGRES)...

5.2. MÔI TRƯỜNG MÔ PHỎNG

Môi trường thực hiện mô phỏng là NS-2 (Network Simulator) phiên bản 2.29.

NS-2 là một công cụ mã nguồn mở cho phép mô phỏng mạng chuyển mạch gói, hỗ

trợ mô phỏng các giao thức như TCP, UDP, các giao thức định tuyến, giao thức lớp

MAC trên môi trường mạng vô tuyến và hữu tuyến như wireless LANs, Mobile Ad

hoc Networks (MANETs), mạng vệ tinh…

NS-2 là một đơn vị mô phỏng hướng đối tượng. Cấu trúc ngôn ngữ bao gồm

hai thành phần: ngôn ngữ hướng đối tượng C++ và OTCL được phân biệt theo 2

mức điều khiển và mức xử lí gói. C++ được sử dụng để xử lí mức gói trong khi

OTCL được sử dụng để định nghĩa các thông số cấu hình mô phỏng như topology

mạng, kiểu đơn vị lập lịch, thời điểm khởi đầu và kết thúc luồng dữ liệu, kiểu luồng

với định danh nút nguồn và đích…

Tuy nhiên, phiên bản NS-2 mới nhất 2.29 chỉ hỗ trợ mô phỏng lớp LL (Link

Layer), lớp MAC và lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.11, không hỗ trợ mô phỏng các

thành phần của chuẩn IEEE 802.16. Do đó, trong đồ án này sử dụng module

WiMAX for NS-2 (gọi tắt là module WiMAX) thực thi chuẩn IEEE 802.16 trong

NS-2 (phiên bản 2.29).

Module WiMAX for NS-2 được thiết kế và phát triển bởi các thành viên của

Networks and Distributed Systems Laboratory (NDSL) và Computer Science and

- 56 -


Information Engineering thuộc đại học Chang Gung, Đài Loan. Tất cả các phiên

bản của module WiMAX được dowload hoàn toàn miễn phí tại địa chỉ

http://ndsl.csie.cgu.edu.tw.

Vị trí của module WiMAX trong kiến trúc NS-2 được trình bày bên dưới.

Hình 5.1. Module WiMAX trong kiến trúc NS-2 [13]

Module WiMAX được tích hợp vào kiến trúc sẵn có của một nút wireless trong

NS-2.

Trong kiến trúc trên, một nút wireless bao gồm các thành phần: Traffic

Generating Agent (address classifier, port classifier, agent protocol, agent routing),

lớp LL (Link Layer), lớp MAC, hàng đợi và kênh vật lý. Các classifier chịu trách

nhiệm phân phối các gói tương ứng với các agent. Agent protocol biểu diễn cho lớp

application và agent routing biểu diễn cho lớp IP. Khi một packet đi từ agent

protocol đến agent routing, agent routing sẽ đặt địa chỉ của đích vào gói và chuyển

- 57 -


tiếp đến lớp LL. Lớp LL sử dụng giao thức phân giải địa chỉ ARP (Address

Resolution Protocol) để xác định địa chỉ MAC của đích. Lớp LL đặt địa chỉ MAC

của đích vào gói và chuyển đến lớp MAC. Lớp MAC sẽ thực hiện các chức năng

tương ứng và xác định thời điểm gửi gói trên kênh. Sau đó, chuyển gói đến lớp vật

lý. Lớp vật lý chịu trách nhiệm gửi gói trên kênh wireless đến nơi nhận.

Module WiMAX thực hiện mô phỏng lớp con phần chung MAC chuẩn IEEE

802.16 trong NS-2. Cụ thể, các thành phần được thực thi trong module:

• Cơ chế cấp phát băng thông GPC (Grant per Connection).

• UCD, DCD, DL-MAP, UL-MAP, RNG-REQ, RNG-RSP, BW-REQ.

• Tạo và truyền MAC PDU (tại BS và SS), phân mảnh và đóng gói.

• Cơ chế lập lịch (trên kênh uplink, downlink) bốn kiểu dịch vụ (UGS,

rtPS, nrtPS, BE).

Module thực thi lớp MAC IEEE 802.16 có vai trò tương tự như module IEEE

802.11 và được đặt trong cùng thư mục ~/mac trong NS-2.

5.3. MÔ PHỎNG

5.3.1. Giả thuyết

Các giả thuyết được sử dụng trong mô phỏng:

• Chỉ thực thi lớp con phần chung MAC chuẩn IEEE 802.16, không thực

thi cơ chế bảo mật được thực hiện bởi lớp con MAC bảo mật.

• Không đề cập đến khoảng thời gian để một trạm SS đồng bộ với BS.

• Tất cả các trạm BS và SS đều sử dụng kiểu anten omni-directional được

thiết lập sẵn trong lớp vật lý của NS-2 để truyền thông.

• Không thực thi lớp vật lý chuẩn IEEE 802.16. Nhưng sử dụng lại các

thành phần sẵn có của lớp vật lý chuẩn IEEE 802.11 được hỗ trợ trong

NS-2 như các kiểu kênh truyền, kiểu anten, mô hình truyền sóng vô

tuyến…

• Kiểu hàng đợi là Droptail (FIFO – First In First Out).

- 58 -


• Giả sử trong quá trình truyền giữa BS và SS hoặc ngược lại không xảy

ra hiện tượng mất gói, do đó không thực thi cơ chế ARQ (Automatic

Repeat Request).

5.3.2. Kịch bản mô phỏng

Mô hình mạng được sử dụng để mô phỏng dựa trên kiến trúc Point-to-

Multipoint (chuẩn IEEE 802.16) bao gồm: một trạm gốc BS (node_0) và 2 trạm

thuê bao SS (node_1, và node_2), được đặt cố định tại các tọa độ cho trước.

Hình 5.2. Kiến trúc mạng mô phỏng

Trong kịch bản mô phỏng trên: SS_1 gửi các thông báo ranging, thông báo

BWREQ và bắt đầu truyền dữ liệu đến BS (kênh uplink). Sau đó, SS_2 gửi dữ liệu

đến BS. Các quá trình truyền kết thúc tại thời điểm 10s.

Các thông số sử dụng:

• Băng thông kết nối: 10 Mbps/ sector.

• Độ trễ trên kết nối: 10 ms.

• Phạm vi mô phỏng: 1000 x 1000.

• Giao thức định tuyến: DSDV (Destination Sequence Distance Vector).

• Kích thước tối đa của hàng đợi là 50 (số gói tối đa chứa trong hàng đợi).

- 59 -


• Lớp dịch vụ được thiết lập trên kết nối giữa BS và SS_1 là UGS (biểu

diễn cho các ứng dụng VOIP) và lớp dịch vụ thiết lập trên kết nối giữa

BS và SS_2 là rtPS (biểu diễn cho ứng dụng video, MPEG4).

• Drop packet rate: < 5%.

• Thời gian thực hiện mô phỏng: 10s.

5.4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

5.4.1. Hoạt động

• Vào thời điểm bắt đầu mô phỏng, các SS tiến hành quét các kênh trong

dải tần đã được định nghĩa để tìm một kênh downlink thích hợp và đồng

bộ. Sau đó, các SS nhận các thông báo mô tả kênh vật lý DCD

(downlink) và UCD (uplink) để lấy các thông số cần thiết.

• Tiếp đó, các SS gửi yêu cầu ranging (thông báo RNGREQ) đến BS.

Hình 5.3. Các SS gửi yêu cầu ranging

• Tiếp đó, BS gửi lại các đáp ứng ranging (thông báo RNGRSP) và các

thông báo ULMAP, DLMAP chứa các thông tin lớp MAC như thời

- 60 -


điểm truy cập và các thông tin khác trên cả hai kênh uplink và downlink.

Hình 5.4. BS gửi đáp ứng ranging

• Sau khi đã nhận được thông báo RNGRSP từ BS. Tại thời điểm 1, SS_1

gửi yêu cầu cấp phát băng thông (thông báo BWREQ) cho BS, sau khi

nhận được băng thông cấp phát, SS_1 bắt đầu truyền dữ liệu đến BS.

- 61 -


Hình 5.5. SS_2 gửi yêu cầu băng thông

Hình 5.6. SS_2 gửi dữ liệu (rtPS) cho BS

5.4.2. Tính lượng băng thông được sử dụng trên BS

Hình 5.7. Đồ thị băng thông được sử dụng trên các kênh truyền

- 62 -


• Các thông tin mô phỏng được ghi lại trong file ~.tr bao gồm kiểu sự kiện

(send, receive, drop, forward), thời điểm xảy ra sự kiện, nút thực hiện sự kiện, thông

tin gói và kích thước gói, kiểu trace được sử dụng…

Hình 5.8. Thông tin trong file ~.tr được import vào excel

Sau khi import thông tin file ~.tr vào excel, chúng ta tiến hành thống kê các số

liệu tại node 0 (BS).

Tổng số gói (packet) trong quá trình mô phỏng mà node 0 (BS) đã xử lý: 9259.

Trong đó

• Tổng số gói nhận (r): 2712.

• Tổng số gói gửi (s): 6305.

• Tổng số gói drop (d): 240.

Tổng dung lượng trong quá trình mô phỏng mà node 0 (BS) đã xử lý: 794347

byte.

Trong đó:

• Dung lượng nhận (r): 274148 byte.

- 63 -


• Dung lượng gửi (s): 375404 byte.

• Dung lượng drop (d): 144795 byte.

Băng thông trung bình node 0 (BS) sử dụng trong thời gian mô phỏng:

794347*8/10/(1024)2 = 0.606 Mbps

5.5. NHẬN XÉT

• Băng thông trung bình node 0 (BS) sử dụng trong suốt quá trình mô

phỏng nằm trong giới hạn đề ra (10Mbps).

• Tỷ lệ gói drop (d) chấp nhận được (dưới 5%).

• Hệ thống hoạt động tốt.

- 64 -

Kết luận và hướng phát triển đề tài

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

• Kết luận

Đồ án đã giải quyết được các vấn để cơ bản được đặt ra ở phần đầu bao gồm:

Tổng quan về công nghệ WiMAX, các đặc điểm và hoạt động của WiMAX, những

cơ sở quan trọng của WiMAX, các chuẩn WiMAX, các kỹ thuật được ứng dụng

trong WiMAX, kiến trúc bảo mật được xây dựng trong WiMAX. Chủ yếu tập trung

ở các khía cạnh sau: Hoạt động của WiMAX chủ yếu tập trung ở lớp MAC (quá

trình truy nhập mạng, cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông, cơ chế lập lịch dịch

vụ…); Kiến trúc bảo mật được xây dựng và quy trình thực hiện bảo mật trong

WiMAX; Mô phỏng hoạt động hệ thống WiMAX.

• Hướng phát triển đề tài

Những vấn đề được trình bày trong đồ án này vẫn còn hạn chế ở phạm vi, chỉ

tập trung vào chuẩn IEEE 802.16 dành cho các ứng dụng truy cập băng thông rộng

cố định (IEEE 802.16-2004). Do đó, trong thời gian tới hướng phát triển của đề tài

sẽ tập trung vào nghiên cứu chuẩn IEEE 802.16 dành cho các ứng dụng di động –

WiMAX di động (IEEE 802.16e).

WiMAX di động là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng

không dây và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng

với kiến trúc mạng linh hoạt (Point-to-Point, Point-to-MultiPoint, Mesh). Một số

đặc điểm chính WiMAX di động hỗ trợ: Tốc độ dữ liệu cao; Tính mềm dẻo; Khả

năng bảo mật mạnh; Khả năng di động; Độ bao phủ rộng.

- 65 -

Tài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ThS. Nguyễn Quốc Khương, TS. Nguyễn Văn Đức, ThS. Nguyễn Trung

Kiên, KS. Nguyễn Thu Hà. “WIMAX – Công nghệ truy nhập mạng không

dây băng rộng”. Tạp chí BCVT&CNTT kì 1(12/2005).

[2] Trần Việt Hưng. “WiMAX công nghệ đích thực cho cuộc sống”. Tập đoàn

Bưu Chính Viễn Thông Việt Nam. 2006.

[3] Phan Hương. “Công nghệ OFDM trong truyền dẫn vô tuyến băng rộng điểm

- đa điểm tốc độ cao (54 Mbit/s)”. Tạp chí BCVT&CNTT kì 1 (12/2005).

[4] Lê Văn Tuấn. “Các băng tần WiMAX”. Tạp chí BCVT&CNTT kì 1

(5/2006).

[5] IEEE Standard 802.16. “Part 16: Air Interface for Fixed Broadband

Wireless Access Systems”. Oct, 2004.

[6] Jeffrey G. Andrews, Ph.D., Arunabha Ghosh, Ph.D., Rias Muhamed

“Fundamentals of WiMAX - Understanding Broadband Wireless

Networking”

[7] Kitti Wongthavarawat. “IEEE 802.16 WiMAX Security”. July 1, 2005.

[8] Michel Barbeau. “WiMAX 802.16 Threat Analysis”. 2006.

[9] Westech Communications Inc. “Can WiMAX Address Your Applications?”.

WiMAX Forum. Oct 24, 2005.

[10] http://www.tapchibcvt.gov.vn/

[11] http://vntelecom.org/

[12] www.wimaxforum.org

[13] http://www.cgu.edu.tw

- 66 -

Phụ lục

PHỤ LỤC

Phụ lục

Phụ lục A: Giá trị trường Type trong thông báo quản trị lớp MAC

Kiểu Tên thông báo Mô tảKết nối sử

dụng0 UDC(Uplink Channel Description) Mô tả kênh uplink Broadcast

1DCD (Downlink Channel

Description)Mô tả kênh Downlink Broadcast

2

DL-MAP (Downlink Access

Definition)

Định nghĩa truy cập

kênh

Downlink

Broadcast

3UL-MAP (Uplink Access

Definition)

Định nghĩa truy cập

kênh

Uplink

Broadcast

4 RNG-REQ (Ranging Request) Yêu cầu ranging Primary5 RNG-RSP (Ranging Respond) Đáp ứng ranging Primary6 REG-REQ (Registration Request) Yêu cầu đăng kí Primary7 REG-RSP (Registration Respond) Đáp ứng đăng kí Primary

8PKM-REQ ( Privacy Key

Management Request)Dành riêng Primary

9PKM-REQ ( Privacy Key

Management Request)

Yêu cầu quản lí khóa

riêng tưPrimary

10PKM-RSP (Privacy Key

Management Respond)

Đáp ứng quản lí khóa

riêng tưPrimary

11DSA-REQ (Dynamic Service

Addition Request)

Yêu cầu bổ sung dịch

vụ độngPrimary

12DSA-RSP (Dynamic Service

Addition Respond)

Đáp ứng bổ sung dịch

vụ độngPrimary

13DSA-ACK (Dynamic Service

Addition Acknowledge)

Chấp nhận bổ sung

dịch vụ độngPrimary

14DSC-REQ (Dynamic Service

Change Request)

Yêu cầu thay đổi dịch

vụ độngPrimary

15DSC-RSP (Dynamic Service

Change Respond)

Đáp ứng thay đổi


16DSC-ACK (Dynamic Service

Change Acknowledge)

Chấp nhận thay đổi


Phụ lục

17DSD-REQ (Dynamic Service

Delete Request)

Yêu cầu hủy bỏ dịch

vụ độngPrimary

18DSD-RSP (Dynamic Service

Delete Respond)

Đáp ứng hủy bỏ dịch

vụ độngPrimary

Phụ lục B: Giao thức định tuyến DSDV

Giao thức định tuyến DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) thuộc

kiểu giao thức định tuyến Distance Vector. Mỗi một node có một bảng định tuyến

chứa thông tin next hop (node) và số hop phải đi qua trước khi đến đích. Định kì

mỗi node sẽ broadcast bảng định tuyến của mình cho các node lân cận để cập nhật

thông tin định tuyến (ước lượng con đường ngắn nhất để đi đến các node). Mỗi

tuyến được đặc trưng bởi một số Sequency Number (SN), tuyến có SN cao sẽ được

ưu tiên hơn. Các tuyến có cùng SN thì tuyến có số hop ít hơn sẽ được ưu tiên.

Phụ lục C: Cài đặt NS-2 trên nền Windows 9x/2000/XP sử dụng Cygwin

Cygwin cung cấp một môi trường tương tự Linux trên Window. Phiên bản Cygwin

mới nhất được sử dụng là 1.5.12 được download tại địa chỉ:

http://nsdl.csie.cgu.edu.tw/ns-setup.rar.

Quá trình cài đặt NS-2 (sau khi đã cài đặt thành công Cygwin):

• Download ns-allinone-2.29 package tại địa chỉ http://nsdl.csie.cgu.edu.tw/ns-

allinone- 2.29.tar.gz . Giải nén ns-allinone-2.29 vào thư mục

C:\cygwin\home\"your account"\

• Download source code của module WiMAX (phiên bản mới nhất v2.03) tại

địa chỉ: http://nsdl.csie.cgu.edu.tw/download.php

Giải nén module WiMAX được 3 thư mục 802.16, common và queue.

• Chép thư mục 802_16 vào C:\cygwin\home\"your account"\ns-allinone-

2.29\ns-2.29\mac (mặc định thư mục cài đặt Cygwin là C:\).

• Chép các file trong thư mục common và queue lần lượt vào

http://nsdl.csie.cgu.edu.tw/ns-allinone-2.29.tar.gz



http://nsdl.csie.cgu.edu.tw/ns-setup.rar

Phụ lục

C:\cygwin\home\"your account"\ns-allinone-2.29\ns-2.29\common và

C:\cygwin\home\"your account"\ns-allinone-2.29\ns-2.29\queue.

Thêm vào sau dòng mac/mac-802_3.o trong Makefile 2 dòng sau:

mac/mac-802_16/packet-802_16.o \

mac/mac-802_16/timer-802_16.o \

mac/mac-802_16/mac-802_16.o \

mac/mac-802_16/traffic/UGS_traffic.o \

mac/mac-802_16/traffic/ertPS_traffic.o \

mac/mac-802_16/traffic/rtPS_traffic.o \

mac/mac-802_16/traffic/nrtPS_traffic.o \

mac/mac-802_16/traffic/BE_traffic.o \

• Sử dụng lệnh “make” để biên dịch.

Sau khi hoàn tất các bước trên, có thể chạy các script mô phỏng trong NS-2

trên nền Window sử dụng Cygwin.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

....................................................................................................................................

Đồ án winmax

Design