TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX
Đặc điểm của một số chuẩn Wimax:(Bảng 1)
Phổ tần 10 ÷ 66GHz < 11 GHz < 6 GHz
32 ÷ 134 Mbps với độ rộng kênh 28MHz
Cao nhất đến 75 Mbps với độ rộng kênh 20 MHz
Lên tới 15 Mbps với độ rộng kênh
OFDM 256, OFDMA, BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM
OFDM 256, OFDMA, BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM
Tính di động Cố định Cả cố định và di động Tính di động cao và cả roaming
Lựa chọn băng thông từ 1,25 MHz đến 20 MHz
Lựa chọn băng thông từ 1,25 MHz đến 20 MHz
Bán kính phủ sóng 2 ÷ 6 km 6 ÷ 10 km, tối đa tới 50 km 2 ÷ 6 km
Wimax với một số công nghệ đi trước
Mạng đô thị MAN là mạng lưới bao phủ toàn bộ một đô thị, cho phép cung cấp thông tin cho nhiều dịch vụ công cộng như y tế, văn hóa và xã hội Về mặt kỹ thuật, mạng MAN bao gồm nhiều công nghệ khác nhau, mỗi công nghệ phục vụ cho một phần cụ thể trong mạng Giống như các mạng LAN và WAN, mạng MAN được chia thành hai loại: mạng MAN có dây và mạng MAN không dây.
Mạng MAN được xây dựng dựa trên ba ứng dụng cơ bản: trục (backhaul), phân tán đến người dùng cuối (last-mile) và các vùng dịch vụ (hotzone).
WiMax là công nghệ tiên tiến cho mạng MAN không dây, nổi bật giữa nhiều giải pháp băng rộng không dây khác Đến nay, không có công nghệ nào cung cấp giải pháp truy cập tổng hợp cho mạng MAN tối ưu như WiMax Các công nghệ trước đây chỉ tập trung vào những giải pháp đơn lẻ, phục vụ cho các phần cụ thể trong mạng MAN, chẳng hạn như LMDS hay WiFi.
LMDS (Local Multipoint Distribution Service) là công nghệ truyền sóng sử dụng dải tần trên 20GHz, cho phép truyền tải trong tầm nhìn thẳng (LOS) với khoảng cách từ 5-7km Được hỗ trợ bởi các tổ chức quốc tế như ATM Forum, ETSI và ITU, LMDS cung cấp dịch vụ tốc độ cao bao gồm thoại, video và Internet Hệ thống này có hiệu suất điều chế cao, đạt tới 5bit/Hz/s, phù hợp cho các mạng trục và doanh nghiệp có nhu cầu băng thông lớn, nhưng không thích hợp cho khách hàng cá nhân hay hộ gia đình.
WiFi là công nghệ dành cho mạng LAN không dây, nhưng có thể áp dụng cho mạng MAN, tuy nhiên gặp nhiều vấn đề khi triển khai Đầu tiên, dải tần 802.11 là miễn phí và dễ bị nhiễu, không phù hợp cho dịch vụ công cộng quy mô lớn Thứ hai, 802.11 thiết kế cho mạng ít thuê bao, với kênh truyền cố định 20MHz, thiếu linh hoạt Thứ ba, thiếu cơ chế QoS, điều quan trọng cho mạng đa dịch vụ Thứ tư, mặc dù WiFi có thể đạt khoảng cách vài km trong môi trường ít nhiễu, nhưng phạm vi bao phủ vẫn hạn chế Cuối cùng, WiFi không hỗ trợ kiến trúc Mesh, ảnh hưởng đến khả năng liên thông trong mạng đô thị.
Sự ra đời của WiMax đã giải quyết hiệu quả ba loại dịch vụ cơ bản của mạng MAN, cho phép thiết lập các trạm gốc để phân phối dịch vụ đến từng khách hàng hoặc tạo ra các vùng truy cập dịch vụ WiMax được coi là giải pháp công nghệ không dây băng rộng toàn diện cho đô thị, ngoại ô và vùng nông thôn xa xôi, cho phép truyền tải dữ liệu, hình ảnh và âm thanh nhanh hơn nhiều so với DSL, cáp và các công nghệ không dây hiện tại như 802.11a hay 802.11b mà không cần điều kiện truyền thẳng Phạm vi phủ sóng của WiMax có thể lên đến vài chục km với tốc độ tối đa đạt 70Mbps, và băng thông của nó đủ để phục vụ hàng trăm thuê bao T1 hoặc DSL cùng một lúc.
Hiện nay, việc triển khai mạng cable và DSL thường tốn thời gian và chi phí, dẫn đến nhiều khách hàng không được cung cấp dịch vụ Wimax giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp dịch vụ nhanh chóng và dễ dàng, ngay cả ở những khu vực khó khăn như nông thôn và vùng núi, đồng thời khắc phục những hạn chế vật lý của mạng có dây.
Trong tương lai, Wimax sẽ được tích hợp vào các thiết bị không cố định như máy xách tay, PDA,…
Một hệ thống WiMax gồm hai phần:(Hình 1)
- Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng tới một vùng rộng tới 8000km 2
Trạm thu có thể là các anten nhỏ như thẻ mạng cắm vào hoặc được tích hợp sẵn trên bo mạch chính bên trong máy tính, tương tự như cách mà WiFi hoạt động.
Các trạm phát BTS kết nối với mạng Internet qua các đường truyền tốc độ cao chuyên dụng hoặc thông qua một BTS khác như trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line of Sight), cho phép WiMax phủ sóng đến những khu vực rất xa.
Các anten thu/phát có khả năng trao đổi thông tin qua các tia sóng truyền thẳng hoặc phản xạ Trong truyền thẳng, anten được lắp đặt cố định ở vị trí cao, giúp tín hiệu ổn định và đạt tốc độ tối đa Băng tần có thể lên đến 66GHz, giảm thiểu giao thoa với các kênh khác và tăng băng thông Ngược lại, trong trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn từ 2-11GHz, tương tự như WiFi, cho phép tín hiệu dễ dàng vượt qua vật cản, phản xạ, nhiễu xạ, và uốn cong để đến đích.
Hình 1: Mô hình truyền thông của Wiamx
Một số ứng dụng của Wimax
WiMax nổi bật với khả năng phủ sóng rộng, tốc độ truyền tin cao và khả năng hỗ trợ đồng thời nhiều thuê bao, cung cấp các dịch vụ như VoIP và Video mà ADSL hiện tại chưa đáp ứng được Công nghệ này đã giúp người dùng ở những khu vực trước đây không có đường dây kết nối, giờ đây có thể truy cập Internet dễ dàng Với sự quan tâm từ các nhà sản xuất chip hàng đầu như Intel, tương lai của WiMax hứa hẹn nhiều tiềm năng phát triển và ứng dụng đa dạng.
Dịch vụ thoại và dữ liệu dành cho hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ chủ yếu phục vụ khách hàng ở khu vực nông thôn và ngoại ô Hệ thống WiMax, với nhiều loại thiết bị đầu cuối (CPE) và chức năng chất lượng dịch vụ (QoS) đa dạng, có khả năng cung cấp các dịch vụ như truy cập internet, VoIP, chơi game và truyền hình ảnh.
Khách hàng mục tiêu của dịch vụ đa dạng này chủ yếu là các đơn vị kinh doanh tại các vùng đô thị, bao gồm công ty, tập đoàn, tổ chức và cơ quan chính phủ Các dịch vụ được cung cấp nhằm phục vụ nhóm khách hàng này bao gồm dữ liệu băng rộng, dịch vụ thoại, đường thuê kênh (leased line), mạng riêng ảo (VPN) và dịch vụ hội nghị truyền hình (Video Conferencing).
Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng thiết bị CPE để kết nối đường truyền tới các hotspot WiFi, bao gồm cấu trúc WiMax bên ngoài và WiFi bên trong Điều này giúp họ tiếp cận các khách hàng tiềm năng như sân bay, trung tâm thương mại, quán cafe internet, khách sạn và trường học.
Dịch vụ di động sẽ trở nên hoàn toàn khả thi khi chuẩn 802.16e chính thức ra mắt, biến WiMax thành công nghệ di động Các thiết bị đầu cuối sử dụng công nghệ này bao gồm PDA, Palm và máy tính xách tay.
Dịch vụ lúc này sẽ là dịch vụ Multimedia
Hệ thống WiMax mang lại lợi ích lớn cho các nhà khai thác di động, giúp họ không còn phụ thuộc vào các đường truyền thuê từ các nhà mạng hữu tuyến, vốn là đối thủ cạnh tranh Hiện tại, kết nối giữa BSC và MSC, cũng như giữa các MSC, chủ yếu dựa vào cáp quang hoặc các tuyến viba điểm - điểm.
Phương pháp thay thế này giúp các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động mở rộng dung lượng mạng, cho phép triển khai các dịch vụ mới với phạm vi phủ sóng rộng mà không ảnh hưởng đến mạng hiện tại.
WiMax có khả năng phủ sóng rộng rãi, cả ở thành phố lẫn nông thôn, giúp duy trì thông tin liên lạc cho các lực lượng công an, cứu hỏa và tổ chức cứu hộ trong mọi điều kiện thời tiết và địa hình.
5 Những ưu điểm của công nghệ WiMax:
WiMax sử dụng các mô hình điều chế linh hoạt và mạnh mẽ, cho phép cung cấp thông lượng cao trong phạm vi rộng Các mô hình điều chế thích ứng động giúp các trạm gốc cân bằng giữa thông lượng và khoảng cách Trong điều kiện truyền tốt, thông lượng tối đa của WiMax có thể đạt tới 75Mbps.
Khả năng mở rộng của tiêu chuẩn 802.16 cho phép triển khai linh hoạt trong cả dải tần cấp phép và dải tần miễn phí, nhờ vào việc cung cấp các độ rộng kênh truyền đa dạng Chẳng hạn, một nhà điều hành sở hữu 20MHz tần phổ có thể chia thành hai sector 10MHz hoặc bốn sector 5MHz, mang lại ưu điểm vượt trội so với các mạng băng rộng khác như WiFi, vốn có độ rộng kênh cố định.
Nhà điều hành có thể duy trì chất lượng, phạm vi bao phủ và thông lượng bằng cách tập trung công suất Để mở rộng mạng lưới và vùng bao phủ, việc tái sử dụng tần số là một giải pháp hiệu quả.
Wimax cung cấp các công nghệ tiên tiến như kỹ thuật Mesh topology và anten thông minh để mở rộng phạm vi bao phủ, hỗ trợ hiệu quả cho các mô hình điều chế một cách linh hoạt và mạnh mẽ.
Chất lượng dịch vụ (QoS) là yếu tố quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ voice, đặc biệt trong môi trường toàn cầu hiện nay WiMax cung cấp các thành phần đảm bảo QoS, cho phép triển khai dịch vụ voice và video với độ trễ thấp Tính năng request/grant trong lớp MAC của 802.16 cho phép nhà điều hành cung cấp đồng thời các dịch vụ với mức độ đảm bảo khác nhau, như dịch vụ T1 hoặc best-effort, tương tự như trong công nghệ cáp.
Tính năng bảo mật tích hợp trong 802.16 đảm bảo một cơ chế truyền thông tin an toàn và đáng tin cậy Chuẩn 802.16 định nghĩa một lớp con bảo mật thuộc lớp MAC, được gọi là lớp SS.
Triển vọng của Wimax ở Việt Nam
Dù ở những khu vực hẻo lánh, bạn vẫn có thể truy cập Internet tốc độ cao, thưởng thức truyền hình theo yêu cầu và sử dụng điện thoại VoIP Mạng không dây băng rộng đang mở ra cơ hội kết nối cho hơn 1 tỷ người hiện tại, với mục tiêu kết nối hơn 5 tỷ người trong tương lai.
Hiện nay, việc kết nối Internet trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết, cho phép người dùng truy cập từ nhiều địa điểm như nhà, công ty, quán cà phê, khách sạn và sân bay Chỉ cần có điểm truy cập WiFi, bạn có thể lướt web mọi lúc, mọi nơi.
Nếu bạn ra ngoài "vùng phủ sóng" của hotspot, kết nối sẽ bị ngắt ngay lập tức Wimax cung cấp khả năng kết nối mạng băng rộng không dây trong một khu vực rộng lớn hơn, với dịch vụ mạnh mẽ và tốc độ cao hơn so với các phương thức truyền thống như đường liên kết thuê riêng, dịch vụ Internet qua TV cáp, và các dịch vụ xDSL-ADSL của VDC, FPT.
Wimax cung cấp kết nối với hạ tầng viễn thông "backhaul" cho các nhà cung cấp dịch vụ, hỗ trợ xây dựng hệ thống hạ tầng cho các khu vực như mạng trong khuôn viên (campus network) và các điểm truy cập Internet (hotspot) hiện nay.
Trong những năm tới, các công nghệ mới theo tiêu chuẩn 802.16e sẽ cho phép phát triển các ứng dụng không dây với tốc độ cao, đặc biệt trong môi trường đông người sử dụng Điều này sẽ giúp cải thiện khả năng thiết lập các kết nối liên tục hơn với hệ thống mạng hiện tại.
Wimax là công nghệ không dây tiên tiến cho mạng MAN (mạng diện rộng khu vực) dựa trên chuẩn IEEE 802.16, cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ tương đương E1 (T1) hoặc xDSL cho doanh nghiệp và hộ gia đình Công nghệ này không chỉ kết nối các hệ thống mạng của doanh nghiệp mà còn liên kết các trạm liên lạc, hotspot và hạ tầng viễn thông di động, giúp thay thế các thiết bị tốn kém và thiếu chuẩn hóa hiện nay Wimax hứa hẹn mang lại hiệu quả và lợi nhuận cao hơn, tạo ra một cuộc cách mạng về tốc độ cho các kết nối Internet tốc độ cao.
Wimax được phát triển nhằm chuẩn hóa công nghệ không dây băng rộng, giúp các thiết bị lớn và đắt tiền hoạt động hiệu quả hơn Công nghệ này không chỉ đơn giản hóa việc triển khai dịch vụ mà còn giảm chi phí và tăng lợi nhuận cho các nhà cung cấp thiết bị và dịch vụ.
Công nghệ Wimax nâng cao hiệu quả cho các dịch vụ viễn thông, cung cấp dải tần đủ lớn để hỗ trợ nhiều dịch vụ thương mại với chất lượng tương đương E1 Đồng thời, Wimax cũng cho phép hàng trăm hộ gia đình truy cập Internet với tốc độ cao tương tự như xDSL.
Các quốc gia mới phát triển đang tận dụng công nghệ Wimax để triển khai hạ tầng mạng một cách hiệu quả và nhanh chóng Công nghệ này giúp giảm chi phí, đồng thời mở rộng mạng lưới viễn thông đến các khu vực nông thôn và vùng sâu, vùng xa, nơi mà việc lắp đặt hạ tầng mạng dây dẫn băng rộng gặp nhiều khó khăn.
Wiamx với kĩ thuật phủ sóng như điện thoại di dộng tỏ ra hữu ích trong việc kết nối đương dài mà không cần đến dây cáp mạng
Công nghệ này cung cấp đường truyền di động băng thông lớn theo tiêu chuẩn 802.16e, tương thích với phần cứng của máy tính xách tay và các thiết bị tương lai Điều này giúp người dùng dễ dàng và nhanh chóng truy cập Internet khi di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của các điểm truy cập WiFi.
SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI VÀ 3G
Công nghệ WiFi
WiFi, hay Wireless Fidelity, là tên gọi của chuẩn kết nối không dây IEEE 802.11b, sử dụng sóng vô tuyến để truyền và nhận dữ liệu, giúp giảm thiểu việc sử dụng dây dẫn trong hệ thống mạng Đây là công nghệ mạng không dây tiên tiến và được thương mại hóa rộng rãi nhất hiện nay.
WiFi là giải pháp lý tưởng cho nhu cầu sử dụng di động và các khu vực có đông người dùng, cho phép truy cập mạng mọi lúc trong vùng phủ sóng Với tính linh hoạt cao và khả năng mở rộng mạng lớn, WiFi không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi vị trí hay thiết kế lại hệ thống mạng Hơn nữa, mạng không dây này giúp khắc phục các hạn chế của cáp vật lý, giảm chi phí triển khai và hạn chế tác động đến cơ sở hạ tầng.
Giá cả là một trong những trở ngại lớn nhất đối với dịch vụ WiFi, với chi phí thiết lập mạng không dây tại Việt Nam lên tới gần 100.000 USD, bao gồm tiền thuê đường mạng, 3 Access Point và hơn 40 card modem không dây cùng các thiết bị đồng bộ khác Mặc dù chi phí này không chênh lệch nhiều so với mạng LAN truyền thống, nhưng doanh nghiệp sử dụng WiFi gặp khó khăn ở phần thiết bị đồng bộ Để kết nối vào mạng không dây, người dùng cần một card mạng không dây có giá từ 60 – 200 USD hoặc máy tính tích hợp công nghệ này, trong khi mạng LAN chỉ cần một đoạn dây nhỏ Công nghệ không dây còn đặc biệt hữu ích cho các thiết bị di động như laptop, PDA và Pocket PC.
Ngoài chi phí, bảo mật thông tin đang được các nhà quản lý đặc biệt quan tâm
Mạng không dây với khả năng phủ sóng rộng rất dễ bị tổn thương nếu thiếu các cơ chế kiểm soát truy cập và bảo vệ thông tin hiệu quả Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho kẻ xấu xâm nhập, phá hoại và đánh cắp thông tin.
Một số trở ngại nhỏ có thể ảnh hưởng đến khả năng phổ biến của WiFi, chẳng hạn như việc máy tính sử dụng công nghệ WiFi tiêu tốn pin nhanh, đòi hỏi người dùng phải mang theo dây nguồn Bên cạnh đó, phạm vi phủ sóng của WiFi cũng bị hạn chế, điều này có thể làm giảm trải nghiệm người dùng.
Công nghệ 3G
Công nghệ 3G sử dụng tần số và vùng phủ sóng của mạng di động hiện có, mang lại vùng phủ sóng rộng nhưng tốc độ hạn chế chỉ đạt 384 kbit/s Các tiêu chuẩn 3G cho công nghệ vô tuyến thế hệ thứ ba chủ yếu nhằm nâng cao khả năng truyền tải cho cả thoại và dữ liệu, với tốc độ từ 9,5 kbit/s đến 2 Mbit/s.
2G là công nghệ chủ yếu cho điện thoại di động hiện tại Bao gồm :
Nhắn tin nhắn đơn giản
Thời gian tải bản nhạc MP3 dài 3 phút từ 31-41 phút
Công nghệ vô tuyến 2.5 G : bao gồm :
Các cuộc gọi thoại/fax
Gửi và nhận tin nhắn thư điện tử
Thời gian tải bản nhạc MP3 dài 3 phút từ 6- 9 phút
Kết hợp giữa ĐT di động, máy tính sách tay và TV
Gửi và nhận thư điện tử
Duyệt Web tốc độ cao
Xem truyền hình qua mạng
Ghi nhớ , nhắc nhở lịch trình điện tử
Thời gian tải bản nhạc MP3 dài 3 phút từ 11s đến 1,5 phút
Hỗ trợ chuyển mạch gói tốc độ cao
144 Kbps hoặc cao hơn cho lưu lượng di đông cao
384 Kbps cho người đi bộ
2 Mbps hoặc cao hơn cho thuê bao trong nhà
Khả năng làm việc kết hợp chuyển vùng
Chia sẻ thông tin và tốc độ giữa các nhà cung cấp
Ghi chi tiết các cuộc gọi thông thường
Hiện trạng người sử dụng
Hiện nay, các mạng di động tại Việt Nam chủ yếu sử dụng công nghệ từ 2,5-3G, phục vụ cho khách hàng có nhu cầu truy cập Internet nhưng chủ yếu là thoại Trong khi đó, công nghệ WiMax cung cấp băng thông rộng hơn, chuyên dụng cho việc truy cập Internet và có tích hợp dịch vụ thoại, như các dịch vụ gia tăng như gọi IP Phone qua máy tính và VoIP.
Nhận xét
Trong tương lai gần, công nghệ WiMax vẫn có giá thành cao và đầu tư chậm, trong khi WiFi phù hợp cho vùng phủ sóng nhỏ với tốc độ cao nhưng dễ bị giảm tốc khi nhiều người truy cập cùng lúc Công nghệ 3G, mặc dù có vùng phủ sóng lớn, chủ yếu phục vụ cho một số ít khách hàng với nhu cầu truy cập mạng thứ yếu sau thoại Như vậy, ba công nghệ này sẽ cùng tồn tại và bổ sung cho nhau, đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng.
Hãng Intel đã công bố tích hợp tính năng WiFi và WiMax trong cùng một con chip cho máy tính xách tay Vào ngày 8/3/2006, Sean Maloney, Tổng giám đốc bộ phận di động của Intel, đã trình bày kế hoạch triển khai WiMax tại Diễn đàn các nhà phát triển IDF ở San Francisco Ông khẳng định rằng Wi-Fi và WiMax sẽ cùng xuất hiện trong vi xử lý có tên mã Ofer trong khoảng 3 năm tới.
Khi đó, người tiêu dùng sẽ có thể dễ dàng chuyển đổi giữa các điểm truy cập hot spot và mạng khu vực
Nokia đã công bố phát triển công nghệ WiMax cho điện thoại, nhưng khẳng định rằng họ vẫn cam kết với công nghệ 3G Phó giám đốc điều hành Simon Beresford-Wylie cho biết, 3G sẽ hỗ trợ cho WiMax và không thể thay thế nó Hợp tác với Intel, Nokia nhận thấy WiMax là phương tiện truyền/nhận dữ liệu quan trọng, nhưng cần có dịch vụ 3G để hoạt động hiệu quả Nokia dự kiến nâng tốc độ truyền dữ liệu qua mạng di động lên ít nhất 14 Mb/giây, bắt đầu bằng việc tối ưu hóa chuẩn 3G hiện tại từ 384 Kb/giây để đạt tốc độ 1-2 Mb/giây vào cuối năm nay Khi 3G và WiMax cùng phát triển, hãng sẽ tiếp tục nâng cao tốc độ lên 14 Mb/giây.
ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ WIMAX
Công nghệ OFDM
Một trong những thách thức lớn của thị trường Truy nhập không dây băng rộng hiện nay là việc triển khai và vận hành các hệ thống không dây hiệu quả, đồng thời duy trì tốc độ dữ liệu cao trong các khu vực có địa hình đa dạng Các chướng ngại vật tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống vô tuyến, tạo ra khó khăn cho các nhà vận hành mạng, đặc biệt trong các điều kiện NLOS (Non-Line-of-Sight) và đa đường (Multipath).
Công nghệ OFDM sẽ giải quyết những vấn đề này
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, cho phép đạt tốc độ dữ liệu cao và giảm thiểu nhiễu giao thoa ký tự (ISI) Kỹ thuật này hiệu quả trong việc giải quyết vấn đề tín hiệu đa đường và thích hợp cho việc truyền tin ở những khu vực mà không có tầm nhìn trực tiếp (NLOS), giúp triển khai các hệ thống vô tuyến dễ dàng hơn.
OFDM là một công nghệ đã được thương mại hóa, cung cấp nền tảng vững chắc cho các nhà điều hành viễn thông nhằm tối ưu hóa lợi nhuận từ lượng khách hàng lớn Đa đường (multi-path) xảy ra khi tín hiệu bị phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, dẫn đến việc nhiều tia tín hiệu đến máy thu cùng lúc hoặc với độ trễ khác nhau Các vật cản giữa máy phát và máy thu làm tăng thời gian xử lý của máy thu để xác định tín hiệu chính xác, trong khi máy thu cũng phải loại bỏ những tín hiệu không mong muốn ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.
Đa đường gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) trong truyền thông không dây, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Mỗi ký hiệu chứa nhiều bit tùy thuộc vào phương pháp điều chế Hệ thống không dây sử dụng ký hiệu để truyền tín hiệu, và sự phản hồi từ tín hiệu gây ra ISI cho các ký hiệu tiếp theo Điều chế OFDM có khả năng chống lại hiện tượng trễ trải rộng do đa đường, nhờ vào khoảng thời gian giữa tín hiệu đầu tiên và cuối cùng mà máy thu nhận được OFDM cũng giảm thiểu ISI bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (GI) ở đầu mỗi ký hiệu, phần này giúp bảo vệ dữ liệu chính khỏi nhiễu OFDM chia dải phổ thành nhiều sóng mang con độc lập, các sóng này phải trực giao để tránh nhiễu lẫn nhau, và tất cả sóng mang con được truyền đồng thời trong tín hiệu OFDM.
Hai tín hiệu được coi là trực giao khi đỉnh của tín hiệu sóng mang con trùng với điểm không của các tín hiệu khác, dẫn đến việc tín hiệu sóng mang con được đặt và sắp xếp thẳng hàng.
Các tín hiệu trong các sóng mang con độc lập được điều chế và giải điều chế riêng rẽ, giúp giảm thiểu tác động khi một hay hai sóng mang con bị suy giảm hoặc ảnh hưởng bởi fading lựa chọn tần số Điều này xảy ra vì thông tin vẫn được phân bổ trên các sóng mang con còn lại Việc truyền song song nhiều sóng mang đồng thời cũng góp phần nâng cao tốc độ dữ liệu một cách đáng kể.
Hệ thống OFDM sử dụng các sóng mang con song song để truyền tín hiệu, trong đó các bit sửa lỗi trước (Forward Error Correction) được tích hợp vào các sóng mang Điều này giúp máy thu có khả năng tái tạo lại các bit thông tin bị mất do nhiễu hoặc hiệu ứng đa đường, từ đó tăng cường tính tin cậy trong quá trình truyền dữ liệu.
Công nghệ này thích hợp cho hệ thống tốc độ cao
Thích hợp với với các dụng không dây
Rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn
Sử dụng dải tần hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con
Hạn chế được ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau
Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang và giao thoa giữa các tín hiệu
Giải quyết vấn đề fading bằng quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM nhờ sử dụng phép biến đổi FFT
OFDM có ưu điểm nổi bật khác là khắc phục hiện tượng không có tầm nhìn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn
Độ bao phủ rộng và khả năng đâm xuyên tốt giúp cung cấp dịch vụ truy cập vô tuyến đến những khách hàng trước đây chưa được phục vụ, từ đó tăng doanh thu tiềm năng cho các nhà điều hành mạng và cung cấp dịch vụ.
Giảm chi phí lắp đặt và vận hành nhờ vào quy trình lắp đặt đơn giản, không cần điều kiện LOS (Line-of-Sight), đồng thời vẫn đáp ứng được nhu cầu lắp đặt các thiết bị phụ trợ bổ sung.
Hệ thống OFDM có hiệu quả sử dụng phổ rất cao, cho phép truyền tải nhiều dữ liệu hơn qua một dải thông so với các công nghệ cạnh tranh Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
Mặc dù OFDM có rất nhiều ưu điểm như đã nêu trên, nhưng điều đó không có nghĩa là OFDM không có nhược điểm:
OFDM yêu cầu đồng bộ chính xác để tránh nhiễu giao thoa tần số (ICI) do sai lệch tần số, hiệu ứng Doppler và lệch pha, điều này có thể làm tăng tỷ số bit lỗi (BER) Tuy nhiên, OFDM có thể giảm bớt sự phức tạp trong vấn đề đồng bộ nhờ vào khoảng bảo vệ (GI) Việc sử dụng chuỗi GI cho phép OFDM điều chỉnh tần số một cách hiệu quả, mặc dù việc thêm GI cũng dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số.
OFDM dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xung, dẫn đến việc một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động tiêu cực đến toàn bộ chùm tín hiệu, thay vì chỉ một số ký tự như trong CDMA Điều này làm gia tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA.
Công nghệ OFDMA cho mạng WiMax
Hoạt động truy nhập kênh OFDMA trong lớp MAC của WiMax khác biệt hoàn toàn so với WiFi, với WiMax hỗ trợ truyền song công FDD và TDD thông qua kỹ thuật TDMA/OFDMA Phương pháp này cho phép điều chỉnh linh hoạt độ rộng băng tần, từ đó thay đổi tốc độ tải lên (Upload) và tải xuống (Download) dữ liệu, không giống như ADSL hay CDMA với tốc độ cố định Trong khi đó, WiFi cho phép các trạm truy cập ngẫu nhiên đến điểm truy cập (Access Point - AP), dẫn đến khoảng cách khác nhau giữa mỗi nút.
AP sẽ làm giảm thông lượng mạng, trong khi lớp MAC của 802.16 sử dụng lịch trình hoạt động định trước cho mỗi thuê bao, cho phép các trạm chỉ cạnh tranh kênh truyền dẫn một lần khi gia nhập mạng Sau đó, mỗi trạm được gán một khe thời gian, có thể mở rộng hoặc co hẹp trong quá trình truyền dẫn Lợi ích của việc lập lịch trình là duy trì sự ổn định trong truyền dẫn ngay cả khi quá tải và số lượng thuê bao vượt quá mức cho phép, đồng thời tăng hiệu quả sử dụng băng tần Thuật toán lịch trình cũng giúp trạm phát gốc điều khiển chất lượng dịch vụ (QoS) bằng cách cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao Hệ thống WiMax thực hiện mã hóa và điều chế thích nghi (AMC) để tối ưu hóa băng thông dựa trên điều kiện kênh truyền, với khả năng điều chế ở 64 QAM cho kênh tốt và giảm xuống QPSK cho kênh chất lượng thấp hơn.
Các nghiên cứu đã chứng minh được tính ưu việt của WiMax so với WCDMA
Công nghệ Số lượng thuê bao trong một trạm phủ sóng
Thông lượng trung bình của mạng (Mbit/s)
Thông lượng trung bình của một thuê bao (kbit/s)
Trế truyền dẫn trung bình của một gói (s)
Kỹ thuật điều chế và mã hóa thích nghi trong OFDM tối ưu hóa mức điều chế cho từng kênh con dựa trên tỷ lệ SNR và chất lượng kênh truyền dẫn Trong công nghệ OFDMA, tài nguyên vô tuyến được phân chia cho các thuê bao thông qua việc truy cập vào các sóng mang phụ khác nhau.
Kênh con hóa dải tần số
Kênh con hóa trong đường lên là một lựa chọn tối ưu cho mạng WiMax, giúp cân bằng quỹ đường truyền giữa đường lên và đường xuống Việc tập trung công suất phát vào ít sóng mang OFDM không chỉ tăng cường hiệu suất hệ thống mà còn mở rộng phạm vi phủ sóng, giảm thiểu suy hao che chắn và tiết kiệm năng lượng cho CPE Áp dụng kênh con hóa dải tần giúp phương thức truy cập OFDMA linh hoạt hơn trong việc sử dụng tài nguyên, hỗ trợ tính di động và khả năng kết nối toàn diện của hệ thống.
So sánh một số tham số giữa OFDM và CDMA
Hình 2: Kênh con hóa dải tần
Anten cho các ứng dụng vô tuyến cố định
Anten định hướng với hệ số tăng ích lớn cải thiện đáng kể tính sẵn sàng của tuyến so với anten omni thông thường Việc sử dụng anten định hướng tại cả trạm gốc (BS) và thiết bị đầu cuối (CPE) cũng giúp giảm thiểu khoảng trễ.
Hệ thống anten thích nghi AAS (Adaptive Antenna System) là một phần quan trọng trong tiêu chuẩn IEEE 802.16, cho phép điều chỉnh búp sóng để tập trung vào một hoặc nhiều hướng nhất định Điều này giúp phát tín hiệu một cách chính xác tới phía thu, tương tự như một điểm sáng, trong khi khi thu, AAS có khả năng chỉ tập trung vào hướng có tín hiệu mong muốn, đồng thời giảm nhiễu đồng kênh từ các nguồn khác AAS được xem là một bước tiến quan trọng trong công nghệ, cải thiện tỷ lệ tái sử dụng phổ tần và nâng cao hiệu suất của mạng WiMax.
Phân tập thu phát
Phương pháp phân tập là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu nhiễu đa đường và tín hiệu phản xạ, thường gặp trong môi trường truyền dẫn không có tầm nhìn (NLOS).
Phân tập là một tham số lựa chọn trong WiMax Những thuật toán phân tập do
WiMax cải thiện khả năng hệ thống bằng cách đề xuất phân tập cả ở phía phát và thu Việc lựa chọn phân tập phát sử dụng mã hóa thời gian không gian giúp giảm quỹ dự trữ và hạn chế nhiễu Nhiều phương pháp kết hợp được áp dụng để nâng cao hiệu suất hệ thống, trong đó phương pháp tối đa tỷ lệ phối hợp MRC tận dụng hai anten thu riêng biệt để giảm thiểu pha đinh và nhiễu đường truyền Phân tập được xem là một giải pháp hiệu quả trong môi trường truyền dẫn NLOS.
Điều chế thích nghi
Điều chế thích nghi trong hệ thống WiMax cho phép điều chỉnh phương pháp điều chế tín hiệu theo điều kiện SNR của tuyến truyền Khi chất lượng tuyến tốt, hệ thống sử dụng kiểu điều chế cao nhất, từ đó tăng cường dung lượng cho hệ thống.
Khi chất lượng tuyến giảm, hệ thống WiMax có khả năng chuyển sang kiểu điều chế thấp hơn để duy trì kết nối ổn định Tính năng này giúp hệ thống tránh được các vấn đề về pha đinh lựa chọn thời gian Điều chế thích nghi cho phép hệ thống tự điều chỉnh theo các điều kiện môi trường truyền sóng khác nhau.
Các kỹ thuật sửa lỗi trước
Forward Error Correction (FEC) techniques, such as Reed-Solomon coding and convolutional coding algorithms, are implemented in WiMax systems to enhance signal integrity by reducing the signal-to-noise ratio.
Kỹ thuật điều chế và bán kính cell phát hiện và sửa lỗi đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện thông lượng của hệ thống WiMax Những phương pháp sửa lỗi hiệu quả giúp khôi phục các lỗi do pha đinh lựa chọn tần số hoặc lỗi burst gây ra Để khắc phục những lỗi mà FEC không thể sửa, yêu cầu gửi lại tự động được áp dụng để gửi lại thông tin bị lỗi Nhờ vào những kỹ thuật này, WiMax đã nâng cao đáng kể tham số BER.
Điều khiển công suất
Các thuật toán điều khiển công suất được áp dụng nhằm nâng cao hiệu suất toàn hệ thống Trạm gốc truyền tải thông tin điều khiển công suất đến từng CPE, giúp định mức công suất và đảm bảo rằng mức công suất thu được tại trạm gốc đạt yêu cầu đã được xác định trước.
Trong môi trường pha đinh thay đổi, CPE chỉ phát ở mức công suất vừa đủ yêu cầu
Mức công suất phát yêu cầu cho mỗi CPE được xác lập dựa trên trường hợp xấu nhất, giúp giảm công suất tiêu thụ và nhiễu cho các trạm gốc lân cận Đối với trường hợp LOS, công suất phát của CPE tỷ lệ thuận với khoảng cách từ CPE tới trạm gốc, trong khi đối với NLOS, công suất chủ yếu phụ thuộc vào mức độ che chắn và sự hấp thụ của môi trường.
BẢO MẬT TRONG WIMAX
Security Association (SA)
SA là tập hợp thông tin chia sẻ giữa bác sĩ và sinh viên, đảm bảo an toàn trong giao tiếp Nó duy trì tính bảo mật của kết nối, với hai loại SA: SA cho dữ liệu (DSA) và SA cho chứng thực (ASA) Tuy nhiên, tiêu chuẩn 802.16 chỉ định nghĩa DSA, loại SA được sử dụng để bảo vệ các kết nối chuyển vận.
SS và BS Có ba loại DSA là loại DSA chính, loại DSA tĩnh và loại DSA động
DSA được thiết lập trong quá trình khởi tạo, bao gồm DSA tĩnh đã được cấu hình sẵn trên BS và DSA động được điều chỉnh theo các kết nối Cả hai loại DSA này đều có khả năng phục vụ cho nhiều SS.
DSA bao gồm các dữ liệu sau:
SAID được dùng để chỉ định tới SA, SAID có độ dài 16bit Giá trị SAID của DSA chính sẽ bằng với CID của kết nối cơ bản
Thuật toán dùng để trao đổi dữ liệu Ví dụ như DES
Hai khóa TEK để mã hóa mã hóa dữ liệu: một để sử dụng, một để dự phòng
Một chỉ số của TEK
Một tham số về thời gian sử dụng của TEK, giá trị mặc định là nửa ngày, giá trị nhỏ nhất là 30 phút và lớn nhất là 7 ngày
Một IV 64 bit cho TEK
Một tham số định nghĩa loại SA Để bảo mật một kết nối chuyển vận, SS trước hết phải khởi tạo ra một DSA
Nhiều kết nối có thể chia sẻ chung một SA, điều này cho phép cung cấp dịch vụ multicast Khi SS tham gia vào mạng, một SA sẽ được tạo ra trên kết nối thứ cấp Do đó, SS thường có hai hoặc ba SA: một cho kết nối thứ cấp, một cho kết nối chuyển vận đường lên, và một cho kết nối chuyển vận đường xuống.
Có một số quy tắc ánh xạ một kết nối vào các DSA
Tất cả các kết nối chuyển vận sẽ được ánh xạ vào một DSA đã được công nhận
Các kết nối multicast có thể được ánh xạ vào bất cứ DSA tĩnh hoặc động nào
Các kết nối thứ cấp sẽ được ánh xạ vào DSA chính
Các kế nối cơ bản và sơ cấp sẽ không được ánh xạ, chúng không cần bảo mật
Giao thức quản lí khóa PKM
X.509 là một chuẩn về chứng chỉ điện tử của ITU, hoạt động dựa vào cơ chế mã hóa công cộng Nó gồm có một khóa công cộng và địa chỉ MAC mà đã được nhà sản xuất ghi ngay lên thiết bị
AK được cấp cho SS ngay sau khi SS được chấp nhận, và cả BS lẫn SS đều biết đến AK Đối với BS, AK được sử dụng để thực thi các thuật toán nhằm đảm bảo tính toàn vẹn thông tin trong quá trình trao đổi khóa và mã hóa khóa TEK gửi cho SS, tức là AK chứa KEK Đối với SS, AK cũng có vai trò giải mã, đảm bảo tính toàn vẹn thông tin yêu cầu gửi tới BS và giải mã khóa TEK AK có thể được xem như một khóa hoặc tập hợp thông tin để khởi tạo một phiên trao đổi thông tin an toàn.
Khóa bắt nguồn từ AK, cả BS và SS đều nắm được khóa này, được dùng để mã hóa và giải mã khóa TEK Là khóa đối xứng
TEK được dùng để mã hóa và giải mã luồng dữ liệu trao đổi giữa BS và SS
Khóa đối xứng được thiết kế với thời gian sống riêng biệt, không cố định, nhằm nâng cao độ an toàn Thời gian sống của các khóa này có thể thay đổi tùy thuộc vào cấu hình từ BS và SS.
Một SS sẽ sử dụng giao thức PKM để nhận được sự cấp phép và các khóa từ
Giao thức BS sử dụng chứng chỉ điện tử X509 và thuật toán mã hóa RSA để trao đổi khóa giữa BS và SS PKM hoạt động theo mô hình client/server, trong đó SS (client) gửi yêu cầu thông tin về khóa.
BS (server) sẽ phản hồi các yêu cầu từ PKM, trong khi PKM sử dụng các bản tin quản lý Để đảm bảo an toàn, PKM áp dụng cơ chế mã hóa công cộng nhằm thiết lập một cơ sở bảo mật riêng biệt giữa SS và BS.
BS sẽ chứng thực SS trong quá trình khởi tạo sự cấp phép cho SS Mỗi SS sẽ mang một chứng chỉ điện tử duy nhất X.509
Tiến trình cấp phép cho SS và trao đổi khóa AK
Tiến trình chứng thực sử dụng thông tin được ghi sẵn trên thiết bị bởi nhà sản xuất Trong quá trình này, bác sĩ (BS) thực hiện việc nhận dạng hệ thống (SS) và cung cấp cho hệ thống thông tin như AK và SAID.
SS bắt đầu quá trình chứng thực bằng cách gửi một bản tin chứng thực gọi là bản tin AI (Authorization Information) tới BS Bản tin AI chứa các thông tin X.509 của nhà sản xuất thiết bị và mang tính chất hoàn toàn thông tin BS có thể chọn tiếp nhận hoặc bỏ qua bản tin này, nhưng AI cung cấp toàn bộ thông tin cần thiết về thiết bị và nhà sản xuất.
Ngay sau đó, SS gửi một yêu cầu chứng thực (Authorization Request) đến BS, bao gồm các thông tin quan trọng như X.509, mô tả các thuật toán mã hóa chứng thực mà SS có thể áp dụng, cùng với CID của kết nối cơ bản (CID này đã được BS cấp cho SS trước đó), hay còn gọi là SAID.
BS nhận yêu cầu và kiểm tra các nhận dạng của SS để xác định xem có cần chứng thực cho SS hay không, chẳng hạn như việc kiểm tra tính hợp lệ của chứng chỉ điện tử mà SS cung cấp Nếu chứng chỉ hợp lệ, BS sẽ xác định các thuật toán sử dụng chung với SS, kích hoạt AK cho SS, mã hóa AK bằng khóa công cộng 1 của SS và gửi lại thông tin này cho SS dưới dạng Bản tin Phản hồi Ủy quyền (Authorization Reply).
Authorization Reply bao gồm các thông tin sau: AK đã được mã hóa, chỉ số của khóa, thời gian sống của khóa, và các SAID của SA chính cùng với SA tĩnh.
Quá trình chứng thực sẽ được thực hiện định kỳ, nhưng trong các lần sau, bản tin AI sẽ không cần phải gửi Hình 12 minh họa quy trình chứng thực này.
Hình 4: Quá trình cấp phép và trao đổi khóa AK
1 Bản thân khóa công cộng này là một phần của X.509
Tiến trình trao đổi khóa TEK
Sau khi SS được cấp phép và nhận AK, SS sẽ gửi bản tin yêu cầu khóa TEK đến BS, với mỗi SAID có cơ chế yêu cầu riêng.
BS sẽ gửi cho SS bản tin (Key Reply) chứa thông tin về khóa TEK, được mã hóa bằng khóa KEK, một khóa đối xứng SS sẽ nhận bản tin này và sử dụng KEK để giải mã khóa TEK.
Hình 5: Quá trình trao đổi khóa TEK
Từ đây quá trình trao đổi các gói tin sẽ được mã hóa sẽ thông qua TEK.
Mã hóa
Thuật toán DES là một phương pháp mã hóa đối xứng phổ biến hiện nay, được áp dụng trong tiêu chuẩn 802.16 Trong 802.16, quá trình mã hóa bao gồm mã hóa khóa TEK và mã hóa các luồng dữ liệu.
TEK được mã hóa và giải mã bằng thuật toán 3-DES kết hợp với khóa KEK, trong đó 3-DES là phiên bản cải tiến của DES với ba lần mã hóa để nâng cao bảo mật cho khóa TEK Đối với dữ liệu, thuật toán DES được sử dụng, với TEK là khóa để mã hóa các tải của MAC PDU.
Hình 6: Mối quan hệ giữa tải trước khi mã hóa và sau khi mã hóa
Hình ảnh minh họa sự khác biệt giữa tải trước và sau khi mã hóa, trong đó hai trường mới được thêm vào là PN (Số gói) và ICV (Giá trị kiểm tra toàn vẹn).
PN là một giá trị 4 byte, đại diện cho chỉ số của MAC PDU được mã hóa, kết hợp với TEK để tạo thành cặp giá trị (PN, TEK) duy nhất cho mỗi phiên truyền Khi TEK được khởi tạo, PN bắt đầu từ 0 và tăng dần theo từng MAC PDU Khi PN đạt giá trị tối đa 0x7FFFFFFF, TEK sẽ được khởi tạo lại với một giá trị mới Ngoài ra, ICV là trường 8 byte nhằm đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu của tải.
Hình dưới đây minh họa quá trình mã hóa trong 802.16
Hình 7: Quá trình mã hóa
Thuật toán mã hóa DES nhận các thông số đầu vào bao gồm tải, IV, TEK và một số trường để đồng bộ lớp PHY Kết quả đầu ra là tải được mã hóa, cùng với các trường trong tiêu đề MAC bị thay đổi như EC và EKS (chỉ số của TEK được sử dụng) Ngoài ra, CRC cũng sẽ được tính toán lại để đảm bảo tính chính xác với tải mới.
Theo chuẩn mới nhất 802.16-2004 thì thuật toán mã hóa tiên tiến AES cũng đã được hỗ trợ.
