tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ wimax

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.Khái niệm công nghệ Wimax: Đặc điểm số chuẩn Wimax:(Bảng 1) 3 Wimax với số công nghệ trước: 4 Một số ứng dụng Wimax: 6 Triển vọng Wimax Việt Nam: Chương 2: SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI VÀ 3G 11 Công nghệ WiFi: 11 Công nghệ 3G 12 Nhận xét 14 Chương 3: ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ WIMAX 15 Công nghệ OFDM 17 Công nghệ OFDMA cho mạng WiMax 21 Kênh hóa dải tần số 22 Anten cho ứng dụng vô tuyến cố định 23 Phân tập thu phát 23 Điều chế thích nghi 24 Các kỹ thuật sửa lỗi trước 24 Điều khiển công suất 25 Chương 4: BẢO MẬT TRONG WIMAX 26 Security Association (SA) 26 Giao thức quản lí khóa PKM 27 Mã hóa 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 -1- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI MỞ ĐẦU Gần phương tiện thông tin đại chúng báo, đài, Internet,…đang đưa tin rầm rộ việc triển khai công nghệ Wimax Việt Nam công ty lớn VTC, FPT, Viettel,…Các cơng ty sức để cạnh tranh với hy vọng lực lượng dẫn đầu nước công nghệ Wimax Chúng ta biết đến công nghệ truy nhập Internet phổ biến quay số qua Modem thoại, ADSL, hay đường thuê kênh riêng, sử dụng hệ thống vô tuyến điện thoại di động, hay mạng WiFi Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng Đối với Modem thoại tốc độ thấp, ADSL tốc độ lên tới 8Mbps cần có đường dây kết nối, đường thuê kênh riêng giá thành đắt mà không dễ dàng triển khai khu vực có địa hình phức tạp Hệ thống thông tin di động cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps, thấp so với nhu cầu người sử dụng, mạng hệ sau GSM GPRS (2,5G) cho phép truy cập tốc độ lên đến 171,2Kbps hay EDGE khoảng 300-400Kbps chưa đủ để đáp ứng nhu cầu ngày tăng sử dụng dịch vụ mạng Internet Hệ thống thông tin di động hệ 3G tốc độ truy cập Internet không vượt 2Mbps Với mạng WiFi (chính mạng LAN khơng dây) áp dụng cho máy tính trao đổi thơng tin với khoảng cách ngắn Là sinh viên Điện Tử Viễn Thông, kỹ sư Viễn Thông tương lai em tị mị khát khao muốn tìm hiểu nghiên cứu cơng nghệ Wimax, muốn xem có ưu nhược điểm so với cơng nghệ khác, tương lai giúp cho em nhiều công việc sống -2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.Khái niệm công nghệ Wimax: Wimax tên viết tắt World Interoperability for Microwave Access Về mặt kỹ thuật Wimax công nghệ dựa kết hợp phần chuẩn 802.16a HiperMan, chuẩn mà thiết kế với mục đích cung cấp giải pháp truy nhập cho mạng không dây băng rộng cỡ lớn, cụ thể mạng đô thị MAN Với kết hợp IEEE ETSI, xét mặt chuẩn hóa Wimax trở thành cơng nghệ chuẩn tồn giới Đặc điểm số chuẩn Wimax:(Bảng 1) Ngày đưa chuẩn Phổ tần Môi trường truyền 802.16 12/2001 802.16a/REVd 802.16a/2003 802.16REVd quí 3/2004 802.16e Quí 2/2005 10 ÷ 66GHz LOS < 11 GHz NLOS < GHz NLOS Cao đến 75 Mbps với độ rộng kênh 20 MHz Lên tới 15 Mbps với độ rộng kênh MHz OFDM 256, OFDMA, BPSK, QPSK, 16 QAM 64 QAM OFDM 256, OFDMA, BPSK, QPSK, 16 QAM 64 QAM Cố định Cả cố định di động Tính di động cao roaming 20, 25, 28 MHz Lựa chọn băng thông từ 1,25 MHz đến 20 MHz Lựa chọn băng thông từ 1,25 MHz đến 20 MHz 32 ÷ 134 Mbps với độ Tốc độ bit rộng kênh 28MHz QPSK, 16 QAM 64 Phương thức điều QAM chế Tính di động Băng thơng kênh Bán kính phủ sóng ÷ km ÷ 10 km, tối đa tới 50 km ÷ km Bảng 1: Các chuẩn IEEE 802.16 -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Wimax với số công nghệ trước: Mạng đô thị Man theo định nghĩa mạng bao phủ phạm vi đô thị Về mặt ứng dụng, mạng MAN người ta triển khai cung cấp thơng tin cho nhiều loại dịch vụ công cộng khác y tế, văn hóa, xã hội…Về mặt kĩ thuật, mạng MAN tập hợp nhiều công nghệ khác nhau, công nghệ tương ứng với phần khác mạng Cũng giống mạng LAN, WAN, mạng MAN chia làm hai loại: mạng MAN có dây mạng MAN khơng dây Có ba ứng dụng xây dựng nên mạng MAN truy nhập trục (backhaul), phân tán đến người dùng cuối (last-mile) vùng dịch vụ (hotzone) WiMax công nghệ cho mạng MAN khơng dây Đã có nhiều cơng nghệ băng rộng không dây đời, nay, chưa có cơng nghệ khơng dây băng rộng hướng tới mục tiêu cung cấp tổng hợp giải pháp truy nhập cho mạng MAN cách tối ưu WiMax Các công nghệ trước cung cấp giải pháp đơn lẻ, hướng tới mục phần cụ thể mạng MAN ví dụ LMDS hay WiFi,… LMDS công nghệ sử dụng dải tần 20GHz để truyền sóng LMDS chuẩn hoạt động hậu thuẫn tổ chức quốc tế ATM Forum, ETSI, ITU,… Ở dải tần số lớn này, LMDS cho phép truyền sóng tầm nhìn thẳng (LOS) phạm vi vài số (5-7km) LMDS cho phép triển khai dịch vụ tốc độ cao thoại, video, Internet,… Hệ thống LMDS có tốc độ cao, hiệu suất điều chế đạt tới 5bit/Hz/s LMSD thích hợp với mạng trục, tổ chức doanh nghiệp có nhu cầu tốc độ lớn LMDS khơng thích hợp với khách hàng riêng lẻ, hộ gia đình WiFi thực công nghệ hướng tới mạng LAN không dây dùng để triển khai cho mạng rộng MAN Nhưng khơng thiết kế cho MAN nên việc triển khai cho MAN gặp nhiều vấn đề Thứ nhất, dải tần làm việc 802.11 dải tần miễn phí, nhiễu lớn Do hồn tồn khơng thích hợp với việc triển khai dịch vụ công cộng cỡ lớn Thứ hai, 802.11 thiết kế cho mạng th bao, kênh truyền cố định kích thước khoảng 20MHz, linh hoạt Thứ ba, 802.11 chưa cung cấp chế QoS, vấn đề vô vô quan trọng hệ thống mạng đa dịch vụ Thứ tư, ta truyền mơi trường tốt, nhiễu, LOS sử dụng Anten định hướng với công suất đủ lớn WiFi đật tới khoảng cách vài -4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com km phạm vi bao phủ hẹp Thứ năm, WiFi không hỗ trợ kiến trúc Mesh, kiến trúc đảm bảo liên thông tốt mạng thị… Chỉ có đời WiMax giải tất ba loại dich vụ mạng MAN Nó sử dụng trạm gốc để thiết lập tyến trục, phân phối dich vụ tới khách hàng riêng lẻ thiết lập nên vùng truy nhập dịch vụ Hiện nay, WiMax xem giải pháp toàn diện công nghệ không dây băng rộng đô thị, ngoại ô vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… Wimax cho phép truyền không dây loại liệu, hình ảnh, âm nhanh DSL hay cáp, tất nhiên nhanh nhiều lần công nghệ không dây hành 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu điều kiện truyền thẳng Phạm vi bao phủ WiMax lên tới vài chục km với tốc độ lớn 70Mbps Băng thông WiMax đủ để cung cấp đồng thời hàng trăm thuê bao T1 hàng trăm thuê bao DSL Hiện việc triển khai mạng cable, DSL nhiều thời gian tốn mà kết số lượng khách hàng có nhu cầu mà không cung cấp dịch vụ Wimax khắc phục hạn chế này, có khả cung cấp dịch vụ nhanh chóng dễ dàng, nơi nơng thơn, rừng núi,… nơi vơ khó khăn bất lợi việc triển khai hệ thống có dây khả khắc phục hạn chế mặt vật lý mạng có dây Trong tương lai, Wimax tích hợp vào thiết bị không cố định máy xách tay, PDA,… Một hệ thống WiMax gồm hai phần:(Hình 1) - Trạm phát: giống trạm BTS mạng thơng tin di động với cơng suất lớn phủ sóng tới vùng rộng tới 8000km2 - Trạm thu: Có thể anten nhỏ như thẻ (Card) mạng cắm vào thiết lập có sẵn Mainboard bên máy tính, theo cách mà WiFi dùng Các trạm phát BTS kết nối tới mạng Internet thông qua đường truyền tốc độ cao dành riêng nối tới BTS khác trạm trung chuyển đường truyền thẳng LOS (Line of Sigh) WiMax phủ sóng tới vùng xa -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các anten thu/phát trao đổi thơng tin với qua tia sóng truyền thẳng tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng, anten đặt cố định điểm cao, tín hiệu trường hợp ổn định tốc độ truyền đạt tối đa Băng tần sử dụng dùng tần số cao đến 66GHz tần số tín hiệu bị giao thoa với kênh tín hiệu khác băng thơng sử dụng lớn Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự WiFi, tần số thấp, tín hiệu dễ dàng vượt qua vật cản, phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua vật thể để đến đích Hình 1: Mơ hình truyền thơng Wiamx Một số ứng dụng Wimax: Phủ sóng phạm vi rộng, tốc độ truyền tin lớn, hỗ trợ đồng thời nhiều thuê bao cung cấp dịch vụ VoIP, Video mà ADSL cung chưa đáp ứng đặc tính ưu việt WiMax Các đường ADSL khu vực mà trước đường dây chưa tới truy cập Internet Do vậy, WiMax có nhiều ứng dụng tương lai WiMax -6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sáng sủa nhà sản xuất chip hàng đầu giới, Intel, quan tâm phát triển công nghệ WiMax Có thể kể số ứng dụng tiềm phát triển WiMax như:  Dịch vụ thoại liệu cho hộ gia đình doanh nghiệp nhỏ : Các khách hàng chủ yếu vùng nông thôn ngoại ô.Với nhiều loại CPE khác chức QoS , hệ thống WiMax cung cấp dịch vụ truy cập internet, VoIP, chơi game, truyền hình ảnh  Đa dịch vụ tới đơn vị kinh doanh : Khách hàng tập trung vùng thị, cơng ty,tập đồn, tổ chức, quan phủ Dịch vụ hướng tới tập khách hàng dịch vụ liệu băng rộng, dịch vụ thoại, đường thuê kênh - leased line, mạng riêng ảo-VPN, dịch vụ hội nghị truyền hình-Video Confernecing  Cung cấp đường truyền tới hotspot WiFi Với việc sử dụng loại CPE làm đường kết nối tới Hotspot (cấu trúc WiMax bên WiFi bên - WiFi inside, WiMax outside),các nhà cung cấp dịch vụ hướng tới khách hàng sân bay, trung tâm thương mại, quán cafe internet, khách sạn, trường học  Dịch vụ di động: Khi chuẩn 802.16e thức đời WiMax trở lên di động hoàn toàn Các thiết bị đầu cuối PDA, Palm, máy tính xách tay Dịch vụ lúc dịch vụ Multimedia  Bên cạnh đó, hệ thống WiMax giúp cho nhà khai thác di động phụ thuộc vào đường truyền phải thuê nhà khai thác mạng hữu tuyến, đối thủ cạnh tranh họ Hầu hết đường truyền dẫn BSC MSC hay MSC chủ yếu thực đường truyền dẫn cáp quang, tuyến viba điểm - điểm Phương pháp thay giúp nhà khai thác dịch vụ thông tin di động tăng dung lượng để triển khai dịch vụ với phạm vi phủ sóng rộng mà khơng làm ảnh hưởng đến mạng  Ngoài ra, WiMax với khả phủ sóng rộng, khắp ngõ ngách thành thị nông thôn, công cụ hỗ trợ đắc lực lực lượng công an, lực lượng cứu hỏa hay tổ chức cứu hộ khác trì thơng tin liên lạc nhiều điều kiện thời tiết địa hình khác -7- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Những ưu điểm công nghệ WiMax: - Thông lượng: Với việc sử dụng mơ hình điều chế linh hoạt mạnh mẽ, WiMax cung cấp thông lượng cao phạm vi bao phủ rộng Các mơ hình điều chế thích ứng động cho phép BS cân thông lượng khoảng cách Thơng lượng lớn WiMax đạt khoảng 75Mbps điều kiện truyền tốt - Khả mở rộng: Để thực dễ dàng việc triển khai (cell planning) dải tần cấp phép (licensed band) dải tần miễn phí (license-exempt), 802.16 cung cấp cách linh động độ rộng kênh truyền khác Ví dụ, nhà điều hành đăng kí 20MHz tần phổ, nhà điều hành chia làm hai sector, sector 10MHz, sector, sector 5MHz, điều ưu việt hẳn so với số mạng băng rộng khác có độ rộng kênh cố định WiFi Bằng việc tập trung cơng suất, nhà điều hành đảm bảo chất lượng, phạm vi bao phủ phần thông lượng Để mở rộng mạng, vùng bao phủ, họ sử dụng lại tần số - Phạm vi bao phủ: Để hỗ trợ cách mạnh mẽ linh động mơ hình điều chế, Wimax cung cấp công nghệ làm tăng phạm vi bao phủ, bao gồm kỹ thuật Mesh topology anten thông minh (smart-antenna) - Chất lượng dịch vụ (QoS): Khả cung cấp dịch vụ voice đặc biệt quan trọng, mơi trường tồn cầu Chính WiMax cung cấp thành phần đảm bảo QoS cho phép triển khai dịnh vụ voice, video với độ trễ thấp Tính request/grant lớp MAC 802.16 cho phép nhà điều hành cung cấp đồng thời dịch vụ với độ đảm bảo khác dịch vụ T1 best-effort, giống cable - Bảo mật: Tính bảo mật tích hợp sẵn 802.16 cung cấp chế truyền thông tin cậy an toàn 802.16 định nghĩa riêng lớp cho bảo mật thuộc lớp MAC gọi lớp SS Triển vọng Wimax Việt Nam: Dù di chuyển vùng sâu, vùng xa, bạn kết nối Internet tốc độ cao, xem truyền hình theo yêu cầu, điện thoại VoIP…Mạng không dây băng rộng vẽ viễn cảnh cải thiện liên kết tỷ người với tỷ người tương lai -8- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hiện nối Internet đâu dù bạn nhà, công ty, điểm cà phê Internet tràn ngập thành phố, khách sạn, sân bay…nếu có “điểm truy cập” (hostpot) xuất hiện, WiFi Tuy nhiên bạn “vùng phủ sóng” hostpot, bạn đứt liên lạc Wimax phân phối điểm bắt đầu kết nối mạng băng rộng không dây khu vực rộng với nhiều dịch vụ mạnh hơn, tốc độ cao hơnkhi so sánh với mức truyền thống đường liên kết thuê riêng (Leased Line), dịch vụ nối Internet qua TV cáp (Cable Modem), dịch vụ liên kết số băng thông rộng (xDSLADSL VDC, FPT…)… Wimax cung ứng điểm giao tiếp với hạ tầng viễn thông “backhaul” cho nhà cung cấp dịch vụ, hệ thống hạ tầng cho khu vực (campus network) cho hostpot truy cập Internet Trong vài năm tới, kĩ thuật theo chuẩn 802.16e cho phép tạo ứng dụng không dây với tốc độ cao môi trương dày đặc người dùng, cho phép thiết lập liên kết liên tục với hệ thống mạng so với Cuộc “cách mạng” tốc độ: Wimax công nghệ không dây cho mạng MAN (mạng diện rộng khu vực – hay mạng diện rộng thành phố) dựa theo chuẩn IEEE 802.16 Chuẩn thiết lập cho việc cung cấp kết nối đầu cuối dùng công nghệ mạng khơng dây băng rộng có tốc độ tương đương mức E1 (T1) hay xDSL cho doanh nghiệp hay hộ gia đình Wimax dùng cho việc liên kết hệ thống mạng (từ việc kết nối hệ thống mạng doanh nghiệp, kết nối trạm liên lạc, hostpot, vào hệ thống Internet dến việc kết nối điểm giao tiếp với hạ tầng viễn thông di động, backhaul) thay cho thiết bị tốn thiếu chuẩn hóa bị giới hạn nhằm mang lại hiệu lợi nhuận cao hơn, Wimax làm cách mạng tốc độ cho kết nối Internet tốc độ cao Wimax thiết kế mang lại chuẩn hóa cho cơng nghệ khơng dây băng rộng, qua giúp thiết bị lớn, đắt tiền hoạt động hiệu triển khai dịch vụ cách đơn giản hạ thấp chi phí gia tăng lợi nhuận cho nhà cung cấp thiết bị hay dịch vụ Qua Wimax dịch vụ viễn thông đạt hiệu cao Công nghệ Wimax cung cấp đủ dải tần làm sở để cung cấp cho nhiều dịch vụ thương mại với mức -9- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dịch vụ tương đương E1 cho hàng trăm hộ gia đình truy cập Internet với tốc độ cao tương tự xDSL Các quốc gia phát triển thích hợp sử dụng cơng nghệ đầy tiềm Wimax việc triển khai hạ tầng mạng cách hiệu quả, nhanh chóng với giá thành hợp lý, góp phần phát triển mạng lưới viễn thơng tới vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa, nơi khó triển khai hạ tầng sở mạng dây dẫn băng rộng Wiamx với kĩ thuật phủ sóng điện thoại di dộng tỏ hữu ích việc kết nối đương dài mà không cần đến dây cáp mạng Công nghệ cung cấp đường dây dẫn lưu động băng thông lớn theo chuẩn 802.16e phù hợp với phần cứng máy tính xách tay thiết bị tương lai khác, giúp việc truy nhập Internet dễ dàng nhanh chóng thiết bị di chuyển khỏi vùng phủ sóng điểm truy cập WiFi - 10 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com b) Hoạt động OFDM Điều chế OFDM chia dải phổ sẵn có thành nhiều sóng mang độc lập Để đạt điều này, sóng mang phải trực giao với để khơng gây nhiễu sóng mang vị trí gần Trong tín hiệu OFDM, tất sóng mang truyền đồng thời Hai tín hiệu gọi trực giao đỉnh (peak ) tín hiệu sóng mang trùng với điểm khơng (null) tín hiệu khác với kết tín hiệu sóng mang đặt thẳng hàng Những tín hiệu sóng mang độc lập điều chế giải điều chế cách riêng rẽ Nếu hay hai sóng mang bị suy giảm hay bị tác động fading lựa chọn tần số (các tín hiệu tần số khác truyền với lượng phát vận tốc khác ) tác động nhỏ thơng tin trải sóng mang cịn lại Do truyền song song đồng thời nhiều sóng mang nên tốc độ liệu cao Vì tín hiệu OFDM truyền sóng mang song song, bit sửa lỗi trước (Forward Error Correction) thêm vào sóng mang để máy thu tái tạo lại bit thông tin bị nhiễu hay hiệu ứng đa đường Cơ chế sửa lỗi cho phép OFDM tăng tính tin cậy truyền liệu c) Những ưu điểm hệ thống OFDM  Cơng nghệ thích hợp cho hệ thống tốc độ cao  Thích hợp với với dụng không dây - 19 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Rất hiệu môi trường đa đường dẫn  Sử dụng dải tần hiệu cho phép chồng phổ sóng mang Hạn chế ảnh hưởng fading chọn lọc tần số thành kênh fading phẳng tương ứng với tần số sóng mang OFDM khác  Phương pháp có ưu điểm quan trọng loại bỏ hầu hết giao thoa sóng mang giao thoa tín hiệu  Giải vấn đề fading trình thực điều chế giải điều chế OFDM nhờ sử dụng phép biến đổi FFT  OFDM có ưu điểm bật khác khắc phục tượng khơng có tầm nhìn thẳng tín hiệu đa đường dẫn  Độ bao phủ rộng độ đâm xuyên tốt hơn, cho phép cung cấp dịch vụ truy cập vô tuyến tới khách hàng trước không phục vụ, làm tăng doanh thu tiềm cho nhà điều hành mạng cung cấp dịch vụ  Giảm chi phí lắp đặt hoạt động trình lắp đặt đơn giản hơn, không yêu cầu điều kiện LOS (Line-of-Sight) đảm bảo nhu cầu cài đặt thêm thiết bị phụ trợ bổ sung  Hiệu sử dụng phổ cao, tức có nhiều liệu truyền qua dải thông so với công nghệ cạnh tranh d) Nhược điểm hệ thống OFDM Mặc dù OFDM có nhiều ưu điểm nêu trên, điều khơng có nghĩa OFDM khơng có nhược điểm:  Thứ nhất, địi hỏi khắt khe vấn đề đồng sai lệch tần số, ảnh hưởng hiệu ứng Doppler di chuyển lệch pha gây nhiễu giao thoa tần số (InterCarrier Interference - ICI) mà kết phó bỏ trực giao tần số sóng mang làm tăng tỷ số bit lỗi (BER) Tuy nhiên OFDM giảm bớt phức tạp vấn đề đồng thông qua khoảng bảo vệ (GI) Sử dụng chuỗi GI cho phép OFDM điều chỉnh tần số thích hợp việc thêm GI đồng nghĩa với việc giảm thêm hiệu sử dụng phổ tần số - 20 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Thứ hai, OFDM chịu ảnh hưởng nhiễu xung, có nghĩa xung tín hiệu nhiễu tác động xấu đến chùm tín hiệu thay số ký tự CDMA điều làm tăng tỷ lệ lỗi bit OFDM so với CDMA Công nghệ OFDMA cho mạng WiMax Hoạt động truy nhập kênh OFDMA lớp MAC WiMax hoàn toàn khác so với WiFi WiMax hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD TDD sử dụng kỹ thuật truy nhập TDMA/OFDMA Ưu điểm phương pháp cho phép linh động thay đổi độ rộng băng tần lên xuống, dẫn đến thay đổi tốc độ phát (Upload) thu (Download) liệu cố định ADSL hay CDMA Trong WiFi, tất trạm truy nhập cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập (Access Point - AP), vậy, khoảng cách khác từ nút đến AP làm giảm thông lượng mạng Ngược lại, lớp MAC 802.16, lịch trình hoạt động cho thuê bao định trước, vậy,các trạm có lần cạnh tranh kênh truyền dẫn la thời điểm gia nhập mạng Sau thời điểm này, trạm trạm phát gốc gắn cho khe thời gian Khe thời gian mở rộng hay co hẹp lại trình truyền dẫn Ưu điểm việc đặt lịch trình chế độ truyền dẫn hoạt động ổn định trường hợp tải số lượng thuê bao đăng ký vượt mức cho phép, tăng hiệu sử dụng băng tần Việc sử dụng thuật tốn lịch trình cịn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) việc cân nhu cầu truyền thông thuê bao Để làm điều này, hệ thống WiMax thực việc mã hóa điều chế thích nghi AMC (Adaption Modulation and Coding) để tối ưu hóa băng thơng tùy thuộc vào điều kiện kênh truyền Đối với kênh truyền tốt (có nghĩa tỷ số tín hiệu tạp âm SNR cao) điều chế 64 QAM Nơi kênh chất lượng thấp giảm dần mức điều chế xuống đến QPSK - 21 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các nghiên cứu chứng minh tính ưu việt WiMax so với WCDMA Công nghệ Số lượng thuê Thông lượng bao trung bình trạm phủ sóng mạng (Mbit/s) Thơng lượng Trế truyền dẫn trung bình trung bình thuê bao gói (s) (kbit/s) OFDM 40 4,45 1802 2,33 WCDMA (MMSE) 40 3,83 1170 3,56 WCDMA (Rake) 3,03 490 8,54 40 So sánh số tham số OFDM CDMA Kỹ thuật điều chế mã hóa thích nghi ưu việt OFDM cho phép tối ưu hóa mức điều chế kênh dựa chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) chất lượng kênh truyền dẫn Tỏng công nghệ OFDMA, thuê bao phân chia tài nguyên vô tuyến thông qua việc truy nhập vào sóng mang phụ khác Kênh hóa dải tần số Kênh hóa đường lên lựa chọn mạng WiMax Điều giúp cân đối quỹ đường truyền cho đường lên đường xuống Cơng suất phát tập trung vào sóng mang OFDM, điều làm tăng tăng ích hệ thống, giúp mở rộng phạm vi phủ sóng hệ thống, tránh suy hao che chắn, giảm công suất tiêu thụ CPE Áp dụng kênh hóa dải tần làm cho phương thức truy nhập OFDMA tăng tính linh động việc sử dụng tài nguyên, hỗ trợ cho tính di động có mặt khắp nơi hệ thống - 22 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2: Kênh hóa dải tần Anten cho ứng dụng vô tuyến cố định Anten định hướng với hệ số tăng ích lớn làm tăng tính sẵn sàng tuyến so với loại anten omni thông thường Khoảng trễ giảm đáng kể sử dụng anten định hướng BS CPE Các hệ thống anten thích nghi AAS (Adaptive Antena System) phần lựa chọn tiêu chuẩn IEEE 802.16 AAS có khả điều chỉnh búp sóng tập trung vào hướng định tập trung vào nhiều hướng Điều có nghĩa phát tín hiệu giới hạn theo hướng định phía thu, giống điểm sáng Cịn thu, hệ thống AAS tập trung vàp hướng có tín hiệu mong muốn AAS có khả giảm nhiễu đồng kênh từ vị trí khác AAS coi phát triển tương lai, có khả cải thiện tỷ lệ tái sử dụng phổ tần khả mạng WiMax Phân tập thu phát Phương pháp phân tập sử dụng phương pháp hiệu triệt nhiễu đa đường tín hiệu phản xạ thường xảy môi trường truyền dẫn NLOS Phân tập tham số lựa chọn WiMax Những thuật toán phân tập - 23 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com WiMax đề xuất cho phía phát phía thu làm tăng khả hệ thống Lựa chọn phân tập phát WiMax sử dụng mã hóa thời gian khơng gian, làm giảm quỹ dự trữ yêu cầuvà tránh nhiễu Đối với phân tập phát, nhiều phương pháp kết hợp để cải thiện khả hệ thống Ví dụ, phương pháp tối đa tỷ lệ phối hợp MRC tận dụng ưu điểm hai anten thu riêng rẽ giúp trnáh pha đinh làm giảm nhiễu đường truyền Phân tập coi công cụ hiệu môi trường truyền dẫn NLOS Điều chế thích nghi Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMax điều chỉnh phương pháp điều chế tín hiệu dựa điều kiện SNR tuyến Khi tuyến truyền dẫn có chất lượng tốt, kiểu điều chế cao sử dụng, làm tăng dung lượng cho hệ thống Khi tuyến mức chất lượng thấp hơn, hệ thống WiMax chuyển sang kiểu điều chế thấp để đảm bảo chất lượng kết nối độ ổn định tuyến Khả cho phép hệ thống tránh pha đinh lựa chọn thời gian Điểm mấu chốt điều chế thích nghi khả tự điều chỉnh để phù hợp với điều kiện mơi trường truyền sóng Hình 3: Kỹ thuật điều chế bán kính cell Các kỹ thuật sửa lỗi trước Các kỹ thuật sửa lỗi trước áp dụng hệ thống WiMax để giảm tỷ số tín hiệu tạp âm yêu cầu Mã hóa sửa lỗi trước (FEC – Forward Error Correction) Reed Solomon, mã hóa xoắn thuật tốn ch n ký tự sử dụng để - 24 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phát sửa lỗi nhằm cải thiện thông lượng hệ thống Những kỹ thuật sửa lỗi hiệu giúp khôi phục lại lỗi pha đinh lựa chọn tần số gây lỗi burst Yêu cầu gửi lại tự động sử dụng để sửa lỗi mà FEC không sửa cách gửi lại thông tin bị lỗi Với kỹ thuật WiMax cải thiện đáng kể tham số BER Điều khiển công suất Các thuật tốn điều khiển cơng suất sử dụng để cải thiện đặc tính tồn hệ thống Trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới CPE để định mức công suất mức công suất thu trạm gốc mức định trước Trong môi trường pha đinh thay đổi, CPE phát mức công suất vừa đủ yêu cầu Mức công suất phát yêu cầu cho CPE xác lập tương ứng với trường hợp xấu Điều khiển công suất làm giảm công suất tiêu thụ CPE nhiễu cho trạm gốc lân cận Đối với LOS, công suất phát CPE gần tỷ lệ với khoảng cách từ CPE tới trạm gốc Đối với NLOS, công suất cảu CPE lại chủ yếu phụ thuộc vào mức độ che chắn hấp thụ môi trường - 25 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương BẢO MẬT TRONG WIMAX Khác với chuẩn không dây băng rộng khác, 802.16 thiết kế hẳn lớp bảo mật, lớp làm cung cấp chế điều khiển truy nhập tin cậy, đảm bảo an toàn cho liệu đường truyền 802.16 chống lại việc truy cập trái phép dịch vụ việc mã hóa luồng dịch vụ Nó có giao thức quản lí khóa BS để thực chứng thực cấp phát khóa tới SS cần thiết Trong q trình thượng lượng bảo mật SS BS, SS không cung cấp chế bảo mật 802.16 bước chứng thực cấp phát khóa bỏ qua BS chấp nhận điều cho phép SS truyền liệu, ngược lại BS khơng cho phép Chỉ có hai loại kết nối bảo vệ 802.16 kết nối vận chuyển kết nối thứ cấp Các kết nối quản lí, điều khiển khác khơng cần phải bảo vệ Trong bảo mật 802.16 có hai loại giao thức Giao thức xử lí đóng gói, mã hóa Giao thức làm nhiệm vụ như: định nghĩa hệ thống mã hóa, kết hợp mã hóa liệu chứng thực, xử lí MAC PDU Một giao thức quản lí khóa gọi PKM cung cấp chế phân phối khóa từ BS tới SS Thơng qua giao thức này, BS SS đồng khóa với BS sử dụng giao thức để thực thi điều kiện truy nhập vào mạng Security Association (SA) SA tập hợp thông tin dùng chia sẻ BS SS nhằm đảm bảo tính an tồn trao đổi SA làm nhiệm vụ trì trạng thái bảo mật kết nối Có hai loại SA SA cho liệu (DSA) SA cho chứng thực (ASA) 802.16 định nghĩa DSA, loại SA dùng để bảo vệ kết nối chuyển vận SS BS Có ba loại DSA loại DSA chính, loại DSA tĩnh loại DSA động DSA thiết lập suốt trình khởi tạo DSA tĩnh cấu hình sẵn BS, DSA động đặt tùy vào kết nối Cả DSA tĩnh DSA động sử dụng nhiều SS DSA bao gồm liệu sau: - 26 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  SAID dùng để định tới SA, SAID có độ dài 16bit Giá trị SAID DSA với CID kết nối  Thuật toán dùng để trao đổi liệu Ví dụ DES  Hai khóa TEK để mã hóa mã hóa liệu: để sử dụng, để dự phòng  Một số TEK  Một tham số thời gian sử dụng TEK, giá trị mặc định nửa ngày, giá trị nhỏ 30 phút lớn ngày  Một IV 64 bit cho TEK  Một tham số định nghĩa loại SA Để bảo mật kết nối chuyển vận, SS trước hết phải khởi tạo DSA Nhiều kết nối chia sẻ chung SA, khả dùng để cung cấp dịch vụ multicast Ngay sau SS tham gia vào mạng, SA tạo kết nối thứ cấp Như vậy, SS thông thường có hai ba SA: SA cho kết nối thứ cấp, SA cho kết nối chuyển vận đường lên, SA cho kết nối chuyển vận đường xuống Có số quy tắc ánh xạ kết nối vào DSA  Tất kết nối chuyển vận ánh xạ vào DSA cơng nhận  Các kết nối multicast ánh xạ vào DSA tĩnh động  Các kết nối thứ cấp ánh xạ vào DSA  Các kế nối sơ cấp không ánh xạ, chúng khơng cần bảo mật Giao thức quản lí khóa PKM Chứng điện tử X.509 X.509 chuẩn chứng điện tử ITU, hoạt động dựa vào chế mã hóa cơng cộng Nó gồm có khóa cơng cộng địa MAC mà nhà sản xuất ghi lên thiết bị - 27 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khóa cấp phép AK AK BS cấp cho SS sau SS chấp nhận Cả BS SS biết AK Về phía BS, AK dùng để thực thi thuật tốn đảm bảo tính tồn vẹn thơng tin q trình trao đổi khóa mã hóa khóa TEK để gửi cho SS, tức AK chứa KEK Về phía SS, AK dùng để giải mã, đảm bảo tính tồn vẹn thông tin yêu cầu gửi tới BS để giải mã khóa TEK AK coi khóa coi tập hợp thơng tin để khởi tạo nên phiên trao đổi thông tin an tồn Khóa KEK Khóa bắt nguồn từ AK, BS SS nắm khóa này, dùng để mã hóa giải mã khóa TEK Là khóa đối xứng Khóa TEK TEK dùng để mã hóa giải mã luồng liệu trao đổi BS SS Là khóa đối xứng Để nâng cao độ an tồn, khóa khơng phải cố định mà chúng có thời gian sống riêng Thời gian sống khóa thay đổi tùy cầu hình từ BS SS Một SS sử dụng giao thức PKM để nhận cấp phép khóa từ BS Giao thức sử dụng chứng điện tử X509, thuật tốn mã hóa RSA loạt thuật tốn mã hóa khác để trao đổi khóa BS SS PKM làm việc theo mơ hình client/server, SS (client) u cầu thơng tin khóa BS (server) đáp trả yêu cầu PKM sử dụng tin quản lí PKM sử dụng chế mã hóa cơng cộng để thiết lập nên sở bảo mật riêng SS BS BS chứng thực SS trình khởi tạo cấp phép cho SS Mỗi SS mang chứng điện tử X.509 Tiến trình cấp phép cho SS trao đổi khóa AK Tiến trình chứng thực sử dụng thông tin mà nhà sản xuất ghi sẵn lên thiết bị Tiến trình BS thực việc: nhận dạng SS, BS cung cấp cho SS thông tin AK, SAID… - 28 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com SS bắt đầu chứng thực cách gửi tin chứng thực tới BS, gọi tin AI (Authorization Information) Bản tin chứng thực thông tin X.509 nhà sản xuất thiết bị AI hồn tồn mang tính chất thơng tin, BS nhận lờ Tuy nhiên, AI tin chứa tồn thơng tin cần thiết thiết bị nhà sản xuất Ngay sau SS gửi tin yêu cầu chứng thực Authorization Request tới BS Yêu cầu gồm có thơng tin như: X.509, mơ tả thuật tốn mã hóa chứng thực mà SS sử dụng, CID kết nối (CID BS cấp cho SS trước đó) SAID BS nhận u cầu, thơng qua nhận dạng SS để xem có cần chứng thực cho SS hay khơng, ví dụ chứng điện tử SS đưa cấp phép chưa, có chuẩn khơng Nếu có, BS xác định thuật tốn sử dụng chung với SS, kích hoạt AK cho SS, mã hóa AK khóa cơng cộng1 SS gửi trả thông tin cho SS Bản tin gửi trả gọi Authorization Reply Authorization Reply gồm liệu sau: AK mã hóa, số khóa, thời gian sống khóa, SAID SA SA tĩnh Các yêu cầu chứng thực thực lại theo chu kì, lần sau, tin AI khơng cần phải gửi Hình 12 mơ tả trình chứng thực Hình 4: Quá trình cấp phép trao đổi khóa AK Bản thân khóa công cộng phần X.509 - 29 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tiến trình trao đổi khóa TEK Sau SS cấp phép nhận AK, SS gửi đến BS tin yêu cầu (Key Request) khóa TEK, SAID có chế yêu cầu riêng BS gửi trả SS tin (Key Reply) chứa thông tin khóa Nội dung khóa TEK mã hóa khóa KEK, khóa đối xứng SS nhận dùng KEK để giải mã khóa TEK Hình 5: Q trình trao đổi khóa TEK Từ q trình trao đổi gói tin mã hóa thơng qua TEK Mã hóa DES thuật tốn mã hóa đối xứng sử dụng rộng rãi sử dụng 802.16 Mã hóa 802.16 gồm mã hóa khóa TEK mã hóa luồng liệu TEK mã hóa giải mã thuật tốn 3-DES khóa KEK 3-DES thực chất DES cải tiến thêm cách mã hóa ba lần nhằm tăng tính bảo mật cho khóa TEK Đối với liệu, thuật toán sử dụng DES DES sử dụng TEK khóa để mã hóa tải MAC PDU - 30 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 6: Mối quan hệ tải trước mã hóa sau mã hóa Hình thể tải trước mã hóa sau mã hóa Hai trường thêm vào sau mã hóa PN (Packet Number) ICV (Integrity Check Value) PN giá trị có độ dài byte, coi số MAC PDU mã hóa Giá trị kết hợp với TEK để tạo thành cặp giá trị (PN, TEK) toàn phiên truyền Khi TEK khởi tạo, PN giá trị Và PN tăng dần lên theo MAC PDU Khi PN đạt giá trị lớn 0x7FFFFFFF, TEK khởi tạo lại giá trị ICV trường byte để đảm bảo tính tồn vẹn liệu tải Hình minh họa trình mã hóa 802.16 - 31 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 7: Q trình mã hóa Thơng số đầu vào cho thuật tốn mã hóa DES tải, IV, TEK số trường để đồng lớp PHY Đầu tải mã hóa, với số trường tiêu đề MAC bị thay đổi EC, EKS(chỉ số TEK sử dụng) CRC tính tốn lại để phù hợp với tải Theo chuẩn 802.16-2004 thuật tốn mã hóa tiên tiến AES hỗ trợ - 32 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng thông tin di động –Tiến sĩ Phạm Công Hùng Bài giảng Vi ba số dành cho Cao học –Tiến sĩ Phạm Công Hùng IEEE 802.16a-2003: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems A Technical Overview and Comparison of WiMax and 3G Technologies, Demcember 2004 – Intel – Technical White Paper IEEE 802.16a Standard and WiMax Igniting Broadband Wireless Access – White paper IEEE 802.16-2004: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems http://www.skydsp.com/publications/4thythesis/index.htm http://www.WiMaxforum.org - 33 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... luanvanchat@agmail.com Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.Khái niệm công nghệ Wimax: Wimax tên viết tắt World Interoperability for Microwave Access Về mặt kỹ thuật Wimax công nghệ dựa kết hợp phần chuẩn... việc triển khai công nghệ Wimax Việt Nam công ty lớn VTC, FPT, Viettel,…Các cơng ty sức để cạnh tranh với hy vọng lực lượng dẫn đầu nước công nghệ Wimax Chúng ta biết đến công nghệ truy nhập Internet... Thông tương lai em tị mị khát khao muốn tìm hiểu nghiên cứu cơng nghệ Wimax, muốn xem có ưu nhược điểm so với cơng nghệ khác, tương lai giúp cho em nhiều công việc sống -2- LUAN VAN CHAT LUONG