GIỚI THIỆU
Tổng quan về đề tài
Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng Trước đây, khi nhu cầu ít, thông tin được trao đổi rất đơn giản, có khi chỉ là những kí hiệu, những chữ thông thường… rồi dần dần đến các văn bản, email, tệp tin cỡ nhỏ,… Nhưng như hiện nay, và cả trong tương lai, người ta không chỉ muốn trao đổi các loại hình thông tin đơn giản cũ nữa mà người ta muốn trao đổi cả những thông tin có kích thước lớn hơn, đa dạng hơn như âm thanh, hình ảnh, video,…
Trước thực tế đó, ngoài việc đưa ra các chính sách, các quy định, còn cần phải có các công nghệ mới để hỗ trợ cho việc xây dựng và triển khai dịch vụ Người ta cần cải tạo toàn bộ hệ thống mạng để đáp ứng nhu cầu đó, từ mạng lõi, mạng phân tán đến các mạng truy nhập Hiện nay trên thế giới và cả Việt Nam, mạng lõi, mạng phân tán cũng đã được cải thiện một cách đáng kể Riêng mạng truy nhập thì gặp nhiều khó khăn hơn Mạng truy nhập là mạng nối từ nhà cung cấp dịch vụ tới khách hàng, nó chiếm phần đầu tư rất lớn cho toàn bộ mạng nói chung Đây cũng là nơi mà rất nhiều giải các giải pháp được đưa ra nhằm cải thiện khả năng cung cấp dịch vụ cho khách hàng đồng thời tiết kiệm tối đa chi phí.
Mạng truy nhập được nói đến nhiều nhất hiện nay là các mạng truy nhập băng rộng Gọi là băng rộng vì nó cung cấp một tốc độ đủ lớn để triển khai các dịch vụ tiên tiến như thoại, dữ liệu và có thể cả video,…Các công nghệ băng rộng cho mạng này được phân ra làm hai loại, một là không dây và một là có dây.
Loại có dây vẫn được dùng phổ biến từ trước cho tới nay như DSL, CATV, cáp quang,… Công nghệ có dây ưu điểm là tốc độ rất cao, không bị giới hạn nhiều về các chính sách, quy định,… nhưng nhược điểm rõ ràng của nó là giá thành rất cao, việc triển khai phức tạp và kém linh hoạt Trái lại, đây lại là những ưu điểm của mạng không dây Dù rằng tốc độ của mạng không dây không cao lại bị ràng buộc chặt chẽ bởi các quy định, nhất là các quy định về tần sổ… nhưng mạng không dây tiết kiệm được giá thành, lại linh hoạt và dễ triển khai Chính vì thế, dù chưa thể thay thế được mạng có dây nhưng mạng không dây được coi là giải pháp khắc phục các hạn chế mà mạng có dây không thể làm được.
Wimax là một công nghệ không dây băng rộng với mục đích hướng tới các mạng MAN So với một số công nghệ cũ như WiFi, LMDS, Wimax cho phép truyền tải với tốc độ cao, phạm vi bao phủ rộng và rất nhiều cơ chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ, bảo mật,… Nó cung cấp một giải pháp toàn diện cho mạng MAN. Trong đô thị, người ta có thể sử dụng Wimax như một giải pháp kết nối các mạng khác nhau để tạo nên một sự liên thông giữa các mạng như: mạng công an, mạng y tế, mạng giao thông….
Hình 1-1: Ví dụ về liên kết giữa các mạng Đề tài “Nghiên cứu công nghệ Wimax” dưới đây nhằm mục đích nghiên cứu kĩ về công nghệ Wimax: các vấn đề kĩ thuật và khả năng triển khai công nghệ Wimax. Đề tài được nghiên cứu theo trình tự sau đây: Đầu tiên sẽ tìm hiểu tổng quan về công nghệ băng rộng nói chung và công nghệ không dây nói riêng, mục đích và khả năng của từng công nghệ.
Tiếp đến là phần tìm hiểu về lí thuyết chung trong không dây Lí thuyết này là nền tảng để nghiên cứu công nghệ Wimax.
Cuối cùng sẽ nghiên cứ về các vấn đề kĩ thuật chính trong Wimax, mô hình ứng dụng cũng như khả năng triển khai của công nghệ này
Phạm vi đề tài
Công nghệ Wimax là công nghệ mới và có rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu. Đề tài “Nghiên cứu công nghệ Wimax” không tập trung vào nghiên cứu chuyên sâu một vấn đề mà chỉ nghiên cứu Wimax với vai trò là một kĩ thuật không dây băng rộng cố định Làm nổi bật lên công nghệ Wimax, các ưu điểm cũng như khả năng ứng dụng của công nghệ Đề tài được chia làm sáu chương:
Chương I: Chương giới thiệu tổng quan, phạm vi đề tài như đã trình bày ở trên.
Chương II: Tìm hiểu tổng quan về công nghệ băng rộng nói chung và công nghệ băng rộng không dây nói riêng, hệ thống chuẩn của các công nghệ băng rộng không dây và Wimax.
Chương III: Chương này tổng kết nền tảng lí thuyết, kĩ thuật,… sẽ được ứng dụng trong Wimax như các hiện tượng đa đường, suy hao, các kĩ thuật điều chế, mã hóa….
Chương IV: Chương này giới thiệu chung về công nghệ Wimax, Wimax là gì? Ứng dụng của nó thế nào? Khả năng của nó ra sao? Chương này cũng giải thích một số các yếu tố ngoài kĩ thuật mà có thể biến Wimax trở thành một công nghệ phổ biến trong tương lai.
Chương V: Chương này tập trung lí giải các vấn đề kĩ thuật trong Wimax như mô hình phân lớp, chất lượng dịch vụ, bảo mật,…
Chương VI: Giới thiệu một số mô hình triển khai Wimax, hiện trạng công nghệ Wimax trên thế giới và ở Việt Nam.
CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG
Khái niệm công nghệ băng rộng
2.1.1 Nhu cầu của công nghệ băng rộng
Mạng truy nhập là mạng nằm giữa tổng đài nội hạt CO (Central Office) và thiết bị đầu cuối của khách hàng Các dịch vụ viễn thông mà khách hàng có thể sử dụng được xác định bởi tổng đài nội hạt Mạng truy nhập có vai trò hết sức quan trọng trong mạng viễn thông Nó là phần lớn nhất của bất kỳ mạng viễn thông nào, trải dài trên vùng địa lý rộng lớn Thông thường chi phí xây dựng mạng truy nhập chiếm ít nhất là một nửa chi phí xây dựng toàn bộ mạng viễn thông Đó là con đường duy nhất để cung cấp các dịch vụ (gồm cả thoại và dữ liệu) Chất lượng và hiệu năng của mạng truy nhập ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cung cấp dịch vụ của toàn bộ mạng viễn thông.
Theo phương phức truy nhập truyền thống mà hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu, đặc biệt là tại Việt Nam là dùng cặp cáp đồng làm phương tiện truyền dẫn, như vậy mỗi thuê bao cần có một lượng khá lớn cáp đồng kết nối với tổng đài Mạng truy nhập truyền thống vốn được thiết kế cho việc truyền thông tín hiệu thoại, nó sử dụng chủ yếu là tín hiệu tương tự với dải tần hẹp (0,3 – 3,4KHz), chỉ thích hợp cho các cuộc gọi ngắn cỡ vài phút Các cuộc gọi dài sẽ gây ra quá tải và tắc nghẽn trên mạng Các thành phần, thiết bị của nó cũng chỉ được xây dựng để thích ứng với các điều kiện này Điều này đã làm cho mạng truy nhập có hiệu suất rất thấp.
Băng tần của các đường dây cáp đồng không được khai thác triệt để, gây ra lãng phí lớn Các đường dây cáp đồng có băng tần cỡ MHz nhưng chỉ được sử dụng một lượng rất nhỏ, từ 0,3 đến 3,4KHz Với băng tần 0,3 – 3,4 KHz, về mặt lí thuyết 33,6Kbps là tốc độ tối đa có thể đạt được Sau này một số công ty chế tạo Modem tìm cách lách khỏi các mạch lọc và có thể đưa tốc độ đường truyền lên tới 56Kbps theo chiều từ ISP về thuê bao nhưng chiều ngược lại thì vẫn chỉ có 33,6Kbps.
Ngày nay, nhu cầu của khách hàng ngày càng cao gia tăng Người tiêu dùng không đơn thuần chỉ muốn truyền email, văn bản text, fax,… mà họ mong muốn sử dụng các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh, hình ảnh… Khi đó tốc độ 33,6Kbps, thậm chí 56Kbps không thể đủ để triển khai các dịch vụ loại này
Hiện tại, khi mà tốc độ của mạng lõi đã được tăng đáng kể, khả năng xử lí tại đấu cuối phía khách hàng cũng ngày một mạnh thì việc mạng truy nhập vẫn hạn chế như vậy sẽ gây ra hiện tượng ngẽn cổ chai (bottleneck) Vấn đề được đặt ra là cần phải cải thiện nốt mạng truy nhập để nó đáp ứng được nhu cầu của cả nhà cung cấp dịch vụ lẫn khách hàng.
Công nghệ băng rộng chính là các công nghệ sinh ra để giải quyết vấn đề của mạng truy nhập Đó là thuật ngữ chỉ bất kì loại truy cập internet tốc độ cao nào.Công nghệ băng rộng cho phép các cá nhân hoặc tổ chức có thể truy cập internet cả
24 giờ trong một ngày, tạo môi trường cho việc sử dụng hoặc cung cấp các dịch vụ chất lượng cao.
2.1.2 Lợi ích từ công nghệ truy nhập băng rộng
Trước tiên là nhanh, nó cho phép truy cập với một tốc độ gấp 10-20 lần so với phương pháp quay số thông thường, thậm chí hơn nữa Khi ta dùng modem để quay số, tốc độ chỉ có thể đạt từ 30 đến 50Kbps còn với một kết nối băng rộng, tốc độ lên tới từ 256Kbps đến 10Mbps, phụ thuộc vào dịch vụ mà ta chọn Hãy tưởng tượng, khi ta sử dụng modem kết nối 28,8Kbps, ta phải mất đến 18 phút để tải một tệp nhạc MP3 3ẵ phỳt, trong khi nếu sử dụng kết nối băng rộng 1.5Mbps thỡ chỉ cần 20 giây. Ưu điểm thứ hai là luôn kết nối Bất kì khi nào máy tính được bật lên thì nó đều ở trạng thái kết nối với internet Điều này có nghĩa là không phải lãng phí thời gian cho việc quay số và đợi modem kết nối mỗi lần muốn vào interntet Sẽ không có chuyện bị cảnh báo mạng bận hoặc hiếm khi bị rớt ra khỏi mạng.
Không bắt buộc phải ngừng dịch vụ điện thoại trong khi dùng dịch vụ internet. Tức là thuê bao hoàn toàn không phải trả tiền cho đường dây thuê bao thứ hai Hơn thế nữa cũng có thể chia sẻ giữa nhiều máy với nhau thông qua một kết nối internet.
Lợi ích đáng nói nhất của công nghệ băng rộng chính là tốc độ Chính vì đạt được tốc độ cao như vậy nên có thể triển khai được rất nhiều các dịch vụ khác mà với các kết nối quay số thông thường không thể làm được Điều này đồng nghĩa với việc thúc đẩy sự phát triển của internet, sự phát triển của các dịch vụ xã hội khác.
Có thể kể qua ở đây một số dịch vụ đáng chú y như là: dịch vụ cho phép truyền các tệp tin với dung lượng lớn, có thể là tệp văn bản, tệp âm thanh, tập hình ảnh, tệp phim…, các dịch vụ nhắn tin nhanh IM (Instant Message), dịch vụ hội tụ (Video Conferencing) tốc độ cao.
2.1.3 Các công nghệ truy nhập băng rộng đáng lưu tâm
DSL không phải là một công nghệ mà là một nhóm công nghệ Nó sử dụng đường cáp đồng có sẵn để truyền dữ liệu với tốc độ cao Nó cho phép truyền đồng thời dữ liệu và âm thanh trên đôi cáp đồng đó nhờ vào việc truyền dữ liệu và âm thanh trên các tần số khác nhau.
DSL cũng có những lợi ích rõ ràng như: truyền tốc độ cao, không cần thêm đường dây thuê bao, và cũng không cần phải thực hiện kết nối thường xuyên Tuy nhiên DSL cũng có những nhược điểm như: khoảng cách ngắn, tốc độ phụ thuộc vào khoảng cách từ thuê bao tới tổng đài nội hạt gần nhất,…
Công nghệ được DSL được nói đến nhiều nhất là ADSL (Asymmechical Digital Subcriber Line) Đây là công nghệ bất đối xứng, tức là tốc độ tải lên và tải xuống là không giống nhau Công nghệ này rất thích hợp đối với các hộ gia đình, doanh nghiệp, khi mà nhu cầu lấy thông tin từ internet thường lớn hơn rất nhiều so với nhu cầu tải thông tin lên Chính vì vậy mà công nghệ này rất phát triển và thường được dùng để triển khai cho mạng truy nhập.
Công nghệ cáp sử dụng đường cáp nối vào TV sẵn có làm môi trường truyền dữ liệu băng rộng Ưu điểm của công nghệ này cũng giống với DSL tuy nhiên hiện nay cáp không phải nơi nào cũng có Chính vì thể mà việc triển khai công nghệ này cùng không dễ.
Công nghệ không dây WPAN, WLAN, WMAN, WWAN
Công nghệ không dây băng rộng là công nghệ sử dụng sóng radio để truyền tải dữ liệu thay vì sử dụng cáp như các công nghệ ở trên Công nghệ không dây đang ngày càng tỏ rõ các ưu điểm của nó Một số các lợi ích của công nghệ này được thể hiện ở các điểm như là: cho phép thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách rất đơn giản, tiết kiệm, có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời với khả năng cơ động mềm dẻo cao, có thể thiết lập mạng ở những khu vực rất khó nối dây, tiết kiệm chi phí đi dây tốn kém Bên cạnh đó, việc cài đặt mạng không dây cũng khá dễ dàng.
Công nghệ không dây băng rộng
2.2.1 Thế giới công nghệ không dây.
Công nghệ WWAN - Wide Wireless Area Network Đặc điểm của mạng WAN đó là khả năng bao phủ của nó trên một vùng địa lý rộng lớn Có thể là một khu vực rộng, một quốc gia, thậm chí toàn cầu Chính vì vậy, mạng này ra đời chủ yếu với mục đích xây dựng nên các hệ thống thông tin di động Kể từ khi ra đời từ năm 80 tới nay, các mạng di động đã phát triển hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu Kết quả thống kê ở một số nước cho thấy số lượng các thuê bao di động đã vượt xa các thuê bao cố định Trong tương lai, con số này sẽ vẫn tăng cùng với nhu cầu của thuê bao Điều này đã khiến cho các nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu, cải tiến, đưa ra các giải pháp kĩ thuật nhằm nâng cao khả năng của mạng di động Cho đến nay, mạng WWAN đã trải qua 3 thế hệ với các giai đoạn khác nhau Và mỗi thế hệ đều có những cải tiến vượt bậc so với thế hệ đi trước.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triễn vào những năm cuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật tương tự (analog).Tất cả các hệ thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Các hệ thống mạng di động 1G chỉ được dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên
Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống: AMPS (Advaced Mobile Phone System), ETACTS (Enhanced Total Access Cellular System) và NMT(Nordic Mobile Telephone System).
Hệ thống thông tin di động thứ 2 (2G)
Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi Là một mạng thông tin di động số băng hẹp, sử dụng phương pháp chuyển mạch (circuit switching) là chủ yếu Phương pháp đa truy cập TDMA (Time Division Multiple Access) và CDMA (Code Division Multiple Access) được sử dụng kết hợp FDMA Hệ thống mạng di động 2G sử dụng cho dịch vụ thoại và truyền số liệu.
Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống như PCS (Personal Communication System), TDMA(Time Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access), GSM(Global System for Mobile Communication)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2.5 (2.5 G) Đặc điểm của hệ thống mạng 2.5G là mạng chuyển tiếp giữa hệ thống mạng di động thế hệ thứ 2 (2G) và thứ 3 (3G) Hệ thống hoàn toàn dựa trên cơ chế chuyển mạch gói Ưu điểm củ hệ thống di động 2.5G là tiết kiệm được không gian và tăng tốc độ truyền dẫn.
Việc nâng cấp hệ thống mạng 2G lên 2.5G nhanh hơn và có chi phí thấp hơn so với việc nâng cấp mạng từ 2G lên 3G Hệ thống 2.5G như một bước đệm chuyển tiếp, không đòi hỏi môt sự thay đổi có tính chất đột biến
Các hệ thống mạng 2.5G gồm có GPRS(Generic Packet Radio Services), EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) Đây là thế hệ thông tin di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ, có khả năng truyền thông đa phương tiện chất lượng cao Các hệ thống 3G được xây dựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần rộng theo yêu cầu, do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có nhiều tốc độ khác nhau Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến 2Mbps Mặc dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém.
Các hệ thống mạng 3G gồm WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)
Hiện nay ở Việt Nam, hệ thống mạng di động vẫn chủ yếu là 2G, mặc dù đã có 2.5G nhưng chưa được sử dụng rộng rãi Hệ thống di động 3G tới đây cũng sẽ được triển khai vào năm 2005.
Công nghệ WMAN Đặc điểm của công nghệ này là phạm vi bao phủ của nó từ vài đến vài chục km Công nghệ này thích hợp cho việc triển khai các ứng dụng trong phạm vi một thành phố, hoặc một vùng ngoại ô,… Công nghệ này đặc biệt có ý nghĩa trong việc đưa thông tin tới các vùng sâu, vùng xa hoặc những nơi mà việc đi cáp đến thực sự khó khăn Hiện nay có hai tổ chức chính thực hiện việc chuẩn hóa công nghệ này là IEEE với 802.16 và ETSI với HiperAccess/HiperMAN
WLAN là hệ thống liên kết, chia sẻ và trao đổi dữ liệu giữa các máy tính sử dụng sóng radio hoặc hồng ngoại nhằm thay thế mạng LAN truyền thống Tổ chức chuẩn hóa các mạng WLAN chủ yếu vẫn là IEEE và ETSI Các hệ thống WLAN có thể đạt tới tốc độ hàng chục Mbps trong khoảng cách vài chục mét Thiết bị WLAN đã được lắp đặt tại nhiều địa điểm nhất là những nơi tập trung dân cư như khách sạn, trạm, nhà ga,…
Một số lợi ích cơ bản của WLAN là: cho phép thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách rất đơn giản, tiết kiệm, có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời với khả năng cơ động mềm dẻo cao, thiết lập được mạng ở những khu vực rất khó nối dây, tiết kiệm chi phí đi dây tốn kém Bên cạnh đó, việc cài đặt mạng WLAN cũng khá dễ dàng và công nghệ WLAN cũng rất dễ hiểu và dễ sử dụng LAN và WLAN chỉ khác nhau ở một số đặc điểm nhưng nhìn chung tất cả những công nghệ áp dụng trong LAN thì cũng đều đều áp dụng được cho WLAN. Chúng có các tính năng giống nhau và thường được nối chung với mạng Ethernet đi dây.
WLAN ngày càng phát triển theo xu hướng “nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn”, tốc độ của WLAN đã lên tới vài chục Mbps, khoảng cách hàng kilomet còn giá thành thì ngày càng giảm Thậm chí sự phát triển của nó đã làm nó vượt khỏi ranh giới mạng LAN thông thường Ở Việt Nam hiện nay, WLAN vẫn chưa phát triển, chỉ có một số rất ít nơi lắp đặt hệ thống WLAN do cơ sở hạ tầng, giá thành chưa phù hợp Nhưng trong tương lai không xa, WLAN sẽ là một công nghệ thay thế cho các công nghệ LAN truyền thống.
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học, công nghệ, sự ra đời của các thiết bị ngoại vi cho máy tinh, các thiết bị hỗ trợ cá nhân ngày càng nhiều,nhu cầu trao đổi, chia sẻ thông tin giữa chúng cũng ngày càng trở nên cần thiết Các thiết bị này có đặc điểm là đơn giản, chuyên dụng, không đòi hỏi tốc độ quá cao,khả năng xử lí phức tạp cho nên việc sử dụng các công nghệ mạng có sẵn thực hiện những giao tiếp này trở nên đắt tiền và không phù hợp Mạng PAN ra đời cũng nhằm đáp ứng những đòi hỏi đó.
PAN là một mạng kết nối giữa các thiết bị ở rất gần với nhau cho phép chúng chia sẻ thông tin và các dịch vụ Điểm đặc biệt của mạng này là được ứng dụng trong khoảng cách rất ngắn, thông thường chỉ khoảng vài mét, công suất rất nhỏ,… nó rất thích hợp để nối các thiết bị ngoại vi vào máy tính Các mạng PAN cũng được dùng để giao tiếp giữa các thiết bị cá nhân như điện thoại, PDA,… hoặc để kết nối với các mạng cấp cao hơn như mạng LAN, WAN, thậm chí cả Internet Những ứng dụng thường thấy hiện nay của WPAN là trong không gian văn phòng Các thiết bị điện tử trong mạng có thể là máy tính để bàn, máy tính di động, máy in, các thiết bị cầm tay, điện thoại di động, máy nhắn tin,…
Các công nghệ về WPAN có rất nhiều với nhiều loại và đa dạng được phân ra làm hai loại, một loại dùng sóng hồng ngoại để truyền và một loại dùng sóng radio để truyền
IrDA là công nghệ không dây sử dụng sóng hồng ngoại được phát triển bởi Infrared Data Association Tổ chức gồm hơn 160 thành viên trên khắp thể giới lập ra nhằm xây dựng một bộ giao thức chuẩn cho việc truyền thông giá rẻ, khoản cách ngắn sử dụng sóng hồng ngoại thay thế cho các dây cáp trong các văn phòng, nhà, trường học.
CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Các hiệu ứng trong truyền thông không dây
Thông thường, trong truyền thông không dây người ta thường sử dụng phương tiện truyền dẫn là sóng radio và tia hồng ngoại.
Sử dụng tia hồng ngoại để truyền mặc dù đơn giản, tiện lợi nhưng thường không truyền được ở khoảng cách xa, trong các môi trường xấu, có vật cản Hai thiết bị muốn trao đổi thông tin bắt buộc phải nhìn được thấy nhau, tức là LOS Hơn nữa khả năng phát triển của truyền tin bằng tia hồng ngoại lại rất hạn chế Chính vì vậy, hiện nay giải pháp được phát triển chủ yếu là sử dụng sóng radio để truyển tin và nó dần dần cũng được công nhận và chuẩn hóa trên toàn thế giới.
Sóng radio có ưu điểm có khả năng đi xuyên qua một số chướng ngại vật thông thường như là tường, bàn Tuy nhiên việc truyền lan sóng radio gặp phải những rất nhiều vấn đề cần phải khắc phục Dưới đây là một số các hiệu ứng cơ bản
3.1.1 Hiệu ứng suy hao đường truyền
Các hiệu ứng dưới đây làm cho năng lượng gửi từ trạm phát tới trạm thu bị suy hao.
Sự phản xạ: sóng radio bị phản xạ trên bề mặt một số vật liệu, hiện tượng này thường được lợi dụng để lái sóng truyền đi giữa các trạm không ở trong tầm nhìn thẳng nhưng hiện tượng này sẽ gây ra hiệu ứng đa đường Việc các tia sóng đập vào vật chắn trong quá trình truyền lan rồi bị phản xạ lại cũng gây ra suy hao
Sự hấp thụ : sóng radio có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu như: nước, nhựa, thảm
Suy hao trên khoảng cách địa lý: sóng điện từ truyền trong không gian có độ suy hao tỷ lệ với bình phương của khoảng cách truyền sóng.
Suy hao trên đường (path loss): do hiện tượng suy hao ở trên sinh ra Trong môi trường truyền sóng là văn phòng làm việc, vị trí kê đồ đạc, tường và bàn ghế và ngay các sự di chuyển vị trí của con người cũng góp phần làm gia tăng suy hao trên đường truyền sóng.
Hình 3-5: Hiện tượng đa đường trong truyền sóng vô tuyến
Fading nhiều tia hay còn gọi là hiệu ứng đa đường là hiện tượng xảy ra khi tín hiệu từ cùng một nguồn phát được truyền đến nguồn thu theo nhiều đường khác nhau do một phần năng lượng sóng bị phản xạ vào chướng ngại vật trên đường đi. Các tia tín hiệu này lệch pha với nhau và gây ra hiện tượng tăng mức năng lượng hoặc giảm mức năng lượng bên thu Hiện tượng này được thể hiện trên hình 3.1.
Fadinh lựa chọn tần số xảy ra do hiện tượng máy thu xử lí khác nhau đối với các tần số khác nhau trong một miền tần số Đặc trưng của fading chọn lọc tần số là cường độ tín hiệu ở một vài tần số thì được tăng cường trong khi ở một số khác thì bị suy giảm
Delay spread là khoảng thời gian giữa tín hiệu được truyền đến nơi thu đầu tiên và cuối cùng Trong hệ thống số, delay spread gây ra hiện tượng nhiễu xuyên kí tự (ISI) Tín hiệu truyền trước đó có thể chồng lên tín hiệu đến tiếp sau, gây ra các lỗi rất nghiêm trọng Khi tốc độ truyền tăng, thời gian giữa các bit nhận được bị thu ngắn lại và xác suất xảy ra giao thoa xuyên ký tự tăng lên, vì vậy hiện tượng đa đường làm hạn chế tốc độ truyền tối đa, và đặt ra cho nó một giới hạn trên.Thông thường, để xử lí hiện tượng đa đường, tức là giảm thiểu delay spread, người ta phải giảm tốc độ truyền, điều này dẫn tới sự ra đời của OFDM.
Các kĩ thuật điều chế
Có hai kĩ thuật điều chế thực sự đơn giản, đó là BPSK và QPSK BPSK là kĩ thuật điều chế pha hai mức, trong đó pha 0 tương ứng với bit 1 và pha П tương ứng với bit 0
Còn QPSK là điều chế pha bốn mức trong đó pha П ứng với cặp bit 00, pha П/2 ứng với 01, pha 3П/2 ứng với 10 và pha 0 ứng với 00.
Phương thức điều chế BPSK/QPSK có hiệu suất sử dụng phổ tần rất thấp, nó không thích hợp với truyền thông tốc độ cao QAM là một giải pháp khắc phục hạn chế này QAM kết hợp giữa điều pha và điều biên để tạo ra một hiệu quả sử dụng phổ tần hơn hẳn Với 4QAM, một symbol mang 2 bit, 16QAM mang 4 bit, 64QAM mang 6bit hoặc 256QAM mang 8 bít hơn hẳn so với 1 hoặc 2bit trong PSK.
Kĩ thuật OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ASDL, các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên DMT (Descrete MultiTone).
OFDM là một kĩ thuật phức tạp với nhiều khâu khác nhau Lý thuyết OFDM mặc dù ra đời rất sớm, từ những năm 60 nhưng do trở ngại của tiến bộ khoa học thời bấy giờ mà lí thuyết này khó được áp dụng Cho tới những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành xử lí tín hiệu số (Digital Signal Processing) và vi điện tử mà các hạn chế trước đây của OFDM đã được khắc phục và đưa vào ứng dụng Hiện nay, OFDM là một giải pháp ưu việt nhất cho việc phát triển các hệ thống băng rộng từ truyền hình số đến mạng WLAN, WMAN,…
OFDM thực chất là cũng là một phương pháp điều chế tần số đúng như tên của nó, nhưng khác với FDM, kĩ thuật OFDM cho phép sử dụng băng thông sẵn có một cách cực kì hiệu quả, hơn hẳn so với FDM
Trong FDM, thông tin được truyền trên những dải tần số khác nhau, mỗi một thuê bao sẽ chiếm giữ một dải tần nhỏ tương ứng với lượng thông tin cần truyền. Tuy nhiên, trong thực tế, dải tần nhỏ này phải được mở rộng hơn ra để khắc phục hiện tượng nhiễu giữa các dải Chính vì thế mà hiệu suất sử dụng tần phổ là rất thấp, điều này càng trở nên tệ hại với những dải tần hẹp.
Hình 3.5 dưới đây so sánh giữa FDM và OFDM.
Hình 3-9: So sánh giữa FDM và OFDM
Việc sử dụng TDM trong các hệ thống số là một giải pháp nhằm tăng khả năng truyền dẫn Tuy nhiên, trong truyền thông không dây TDM có hai vấn đề cơ bản. Thứ nhất, vì nó hệ thống số nên một lượng lớn thông tin sẽ phải dùng cho điều khiển, gây lãng phí Thứ hai, nó dễ gặp vấn đề đối với hiện tượng đa đường.
OFDM khắc phục được tất cả các hạn chế của TDM và FDM OFDM cũng chia dải tần ra làm nhiều dải hẹp hơn Các dải này có thể chồng lên nhau, tuy nhiên sóng mang của từng kênh phải đảm bảo yêu cầu trực giao Nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao sao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ. Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý
Hình 3-10: Nguyên lý tạo một kí hiệu OFDM
Hình 3.6 cho thấy nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM, các bit (hoặc luồng bit, tùy vào loại điều chế) thông tin b1,b2,.,.bn được điều chế bởi các sóng mang Ψ1, Ψ2, Ψn trực giao với nhau Sau đó các sóng mang thông tin này được cộng trong bộ tổng Σ thành tín hiệu s(t) để truyền đi.
Tính trực giao giữa các sóng mang là yếu tố quan trọng nhất trong kĩ thuật
Xét về mặt vật lí, hai sóng mang trực giao với nhau thì khi giải điều chế tín hiệu này, bộ giải điều chế sẽ không nhận thấy các tín hiệu kia Kết quả sẽ các tín hiệu sẽ không gây nhiễu lên nhau.
Xét về mặt toán học, hai sóng Ψp(t), Ψq(t) gọi là trực giao với nhau khi nó thỏa mãn công thức:
Trong đó Ψq *(t) là liên hiệp phức của Ψq(t).
Có nhiều bộ hàm trực giao nhưng nổi tiếng nhất là hàm lũy thừa tạo cơ sở cho phép biến đổi Fourier Ψk(t)=e jωkt với ωk=ω0+2πk/T, với T là chu kì tín hiệu của một symbol Đây là cơ sở cho việc sử dụng biến đổi FFT trong hệ thống OFDM.
Còn xét về mặt phổ, điểm phố có năng lượng cao nhất của sóng mang này sẽ rơi vào điểm không của sóng mang kia Như hình 3.7 dưới đây
Hình 3-11: Phổ năng lượng trong OFDM Để tránh hiện tượng nhiễu ISI giữa các kí hiệu lân cận nhau trong điều chế OFDM, người ta giải quyết bằng cách thêm một thời khoảng bảo vệ Tg, đoạn này chính là bản sao của ký hiệu tích cực trong Tg giây trước như ở hình 3.8 Trong hình 3.8, Ts là độ dài theo thời gian của một symbol, N là số sóng mang, BW là toàn bộ băng thông.
Hình 3-12: Dải bảo vệ trong một kí hiệu Ðoạn thêm vào này thường được gọi là CP (cyclic prefix) bởi vì nó làm cho ký hiệu OFDM như là tuần hoàn đối với máy thu Tín hiệu thu sau đó sẽ được xấp xỉ bằng phép chập tuần hoàn giữa tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh.
Hệ thống này được mô tả như hình 3.9
Hình 3-13: Sơ đồ thu phát của hệ thống OFDM
Các tín hiệu số trước tiên được điều chế thành các tín hiệu BPSK, QPSK hoặc QAM Các tín hiệu này sau đó được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song để đưa vào bộ biến đổi IFFT IFFT thực hiện việc điều chế tín hiệu theo các sóng mang trực giao rồi lấy mẫu tín hiệu này Các tín hiệu sau đó đưa qua bộ D/A để chuyển đổi từ song song sang nối tiếp đồng thời biến đổi tín hiệu trở lại dạng tương tự Tín hiệu ra chính là một symbol OFDM cơ bản Symbol này để truyền đi được sẽ được điều chế cao tần rồi phát ra Anten Ở bên nhận, quá trình sẽ được đảo lại.
Có một số quá trình trên cần phải chú ý:
Quá trình điều chế các tín hiệu số: Các bit dữ liệu vào được ánh xạ vào một kí hiệu BPSK, QPSK hoặc QAM.
Quá trình chuyển đổi nối tiếp sang song song: Tiến trình này thực hiện việc phân tách một luồng bit có tốc độ R thành N luồng bit nhỏ, mỗi luồng nhỏ này có tốc độ R/N Các luồng nhỏ này sau đó sẽ được đưa vào điều chế với các sóng mang khác nhau.
Quá trình biến đổi IFFT: Trước đây, việc điều chế các luồng bit nhỏ vào các sóng mang riêng rẽ trực giao với nhau là rất khó khăn Tuy nhiên gần đây, phương pháp xử lí FFT đã giải quyết được khó khăn đó Chính vì vậy FFT đã được sử dụng làm phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao IFFT được dùng ở bên phát để chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian còn FFT được sử dụng bên thu để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
Quá trình chuyển đổi từ song song sang nối tiếp: Quá trình này thực hiện công việc chuyển đổi các luồng mẫu sau khi điều chế IFFT thành một luồng chung.
Quá trình điều chế cao tần : Các tín hiệu OFDM cơ sở (baseband) sẽ được điều chế lên sóng cao tần để phát ra Anten
Thứ nhất, OFDM có khả năng giảm thiểu hiện tượng đa đường, tức là hạn chế
Mã hóa kênh
Thông thường, các bit thông tin được điều chế vào một sóng mang và truyền trên một kênh truyền (có thể là dây dẫn hoặc không dây) Các kênh truyền thường phát sinh nhiễu làm cho tại bên thu các tín hiệu bị hỏng, không thể khôi phục lại nguyên dạng ban đầu Các bit lỗi này làm giảm chất lượng truyền dẫn và số lượng bit lỗi sẽ phụ thuộc vào số lượng các nhiễu sinh ra trên kênh truyền.
Mã hóa kênh còn được gọi là mã hóa sửa lỗi sinh ra để làm nhiệm vụ khắc phục phần nào các hạn chế của kênh truyền Nó gần như là một thành phần bắt buộc của các hệ thống số và nó được thực hiện trước quá trình điều chế các bit dữ liệu.
Hình 3-14: Mã hóa kênh trong hệ thống truyền dẫn số
Nguyên tắc của mã hóa kênh là sử dụng các bit dư thừa, đó là các bit được thêm vào luồng bit thông tin với mục đích sửa lỗi Các bit này cho phép bên thu có thể kiểm tra và sửa lỗi Qua đó cung cấp một kênh truyền dẫn tin cậy hơn Tuy nhiên nhược điểm của nó cũng chính là sự dư thừa, nó làm giảm tốc độ dữ liệu và tăng băng thông truyền dẫn.
Mã hóa kênh phân chủ yếu ra làm hai loại là mã khối và mã chập.
Mã khối được sử dung vừa làm nhiệm vụ kiểm tra lỗi, vừa làm nhiệm vụ sửa lỗi Luồng dữ liệu qua bộ mã khối được chia thành từng khối nhỏ, mỗi khối có kích thước k bit, sau đó được thêm vào n-k bit để tạo thành một khối bit đã được mã hóa n bit N-k bit này là các bit dư thừa, giá trị được tính toán từ k bit đầu vào Chính vì thế, hệ thống mã khối thường được kí hiệu là (n,k) Mã khối có đặc điểm là các khối bit độc lập với nhau, chính vì vậy nó thích hợp cho xử lí các lỗi chùm, lỗi cụm Mã khối được minh họa ở hình 3.11 Hiện nay có một số mã khối như là mã Hamming, mã Reed-Solomon,
Khác với mã khối, mã vòng là loại mã mã trong đó m bit thông tin đầu vào được mã hóa thành n bit đầu ra với m/n là tốc độ mã (n>=m) Tuy nhiên, sự chuyển đổi này lại là hàm số của k bit trước đó Với k gọi là chiều dài cưỡng bức Điều đó có nghĩa là sự chuyển đổi không chỉ phụ thuộc vào các bit đầu vào hiện tại mà nó còn phụ thuộc vào các bit trước đó.
Hỡnh 3.12 mụ tả bộ mó xoắn ẵ, với 1 bit đầu vào Vin và hai bit đầu ra Vout1,
Vout2 L1,L2 là các thanh ghi dịch Như trên hình vẽ ta thấy, đầu ra thứ nhất Vout1 là kết quả phép toán giữa bit đầu vào Vin và bit đầu vào thứ 2 trước đó Còn đầu ra thứ hai Vout2 là kết quả phép toán giữa bit đầu vào Vin và hai bit đầu vào trước đó Mũi tên tại từ các thanh ghi dịch cho biết điều đó.
Trong thực tế người ta có thể kết hợp giữa mã khối và mã chập để tạo thành một hệ thống mã hóa ưu việt có xác suất lỗi tối ưu Với hệ thống đó thì mã chập làm đóng vai trò mã hóa chính còn mã khối đón vai trò phụ, có nhiệm vụ sửa nốt các lỗi mà mã chập bỏ sót hoặc không thể sửa được.
Các kĩ thuật đa truy nhập
Đa truy nhập là kĩ thuật cho phép nhiều thuê bao có thể cùng chia sẻ một dải cố định Đối với một hệ thống, băng thông là giới hạn trong khi đó lại có rất nhiều thuê bao Chính vì vậy, để khai thác một cách hiệu quả băng thông đó, người ta phải sử dụng các kĩ thuật đa truy nhập Người ta có thể kết hợp các kĩ thuật trên để tạo thành các kĩ thuật lai hiệu quả hơn
Kĩ thuật này chia một dải thông thành nhiều dải thông nhỏ hơn Mỗi thuê bao sẽ được cấp phát một dải thông nhỏ đó để truyền hoặc nhận Giữa các thuê bao cũng sẽ được ngăn cách bởi một khoảng bảo vệ để chống nhiễu lên nhau Hình dưới đây mô tả FDMA.
Hình 3-17: Đa truy nhập theo tần số
Khác với FDMA xử lí trên miền tần số, để tăng hiệu suất của hệ thống, TDMA chia thời gian làm các khe thời gian nhỏ hơn và cấp phát các khe thời gian này cho thuê bao Điều này có nghĩa là lưu lượng truyền của thuê bao là không liên tục Lưu lượng của các thuê bao sẽ được đặt trong bộ đệm để đến lượt, tức là đến khe thời gian mà nó chiếm giữ thì sẽ được truyền đi Chính vì cơ chế đệm này mà TDMA không truyền được tín hiệu tương tự trực tiếp, chỉ có thể truyền tín hiệu số Tín hiệu tương tự muốn được truyền trên hệ thống TDMA sẽ được chuyển đổi qua tín hiệu số để truyền Trong truyền thông không dây, hệ thống TDMA, nhất là hệ thống tốc độ cao, sẽ chịu tác động mạnh của hiệu ứng đa đường dẫn tới các nhiễu ISI
Hình 3-18: Đa truy nhập theo thời gian
Hiện nay hệ thống kết hợp TDMA/FDMA được ứng dụng rộng rãi để tăng hiệu suất Nổi tiếng nhất chính là hệ thống điện thoại di động GSM.
Bản chất của kĩ thuật này là dải thông mang thông tin sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với dải thông cần truyền Tất cả các thuê bao có thể sử dụng cùng tần số và truyền đồng thời Nhưng thuê bao chỉ có thể truyền nhận những thông tin tương ứng với một mã mà được cấp phát Kĩ thuật này có tính bảo mật cao, có khả năng khắc phục hiệu ứng đa đường, chống nhiễu…
Có hai phương thức trải phổ là trải phổ trực tiếp DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum) và trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum)
Vào những năm 2000, một giải pháp đa truy nhập mới được phát minh, gây nên sự chú ý và lôi cuốn rất nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới Đó là giải pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA.
Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA thông thường;tuy nhiên nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau.
Mã hóa bảo mật
Mã hóa là cách mà người gửi ngụy trang thông tin được gửi đi để kẻ trộm không thể đọc được Đối tượng duy nhất đọc được thông tin đó là người nhận Mã hóa bảo mật chống lại hiện tượng ăn trộm, xâm nhập trái phép thông tin riêng tư.
Hình 3-19: Các thành phần trong mã hóa
Các thành phần của quá trình mã hóa/giải mã bảo mật được mô tả trên hìn 3.15 Tại nơi gửi, nội dung ban đầu được mã hóa thành nội dung mã hóa bởi khóa
KA và thuật toán mã hóa.
Thông tin gửi trên kênh truyền là thông tin đã được mã hóa.
Tại nơi nhận, nội dung mã hóa sẽ được giải mã thành nội dung gốc bằng khóa
KB và thuật toán giải mã.
Hiện có hai hệ thống khóa dùng để mã hóa là hệ thống mã hóa khóa đối xứng và hệ thống mã hóa khóa công cộng Ở hệ thống mã hóa khóa đối xứng, chỉ có một khóa được sử dụng, cả người gửi và nhận đều phải biết khóa này Còn trong hệ thống mã hóa công cộng, mỗi người sẽ có một cặp khóa riêng.
3.6.1 Mã hóa đối xứng Đây là phương pháp mã hóa mà cả bên nhận, bên gửi đều có chung một khóa và phải nắm được thuật toán mã hóa Ưu điểm của mã hóa kiểu này là nó tiện lợi,nhanh, có khả năng chứng thực Đối với những kẻ trộm, để giải mã tài liệu khi không có khóa cũng là điều không dễ dàng chút nào, khóa càng phức tạp (số bit càng nhiều) thì việc giải mã lại càng khó khăn gấp nhiều lần
Nhưng chính vì việc sử dụng chung một khóa lại là yếu tố làm giảm tính bảo mật đi rất nhiều Để hai bên gửi nhận biết được nội dung của khóa, họ phải trao đổi với nhau Họ bắt buộc hoặc gặp nhau để trao đổi, hoặc gọi điện thoại, hoặc qua internet,… Và kẻ tấn công có thể lợi dụng điều này để biết được nội dung của khóa. DES là chuẩn mã hóa đối xứng nổi tiếng nhất DES chia văn bản ra làm các khối 64bit và mã hóa các khối này bằng một khóa 64bit Khóa 64bit gồm 56bit chiều dài dùng trực tếp cho việc mã hóa, 8 bit còn lại là các bit chẵn lẻ.
Hình 3.16 minh họa thuật toán trong DES Dữ liệu đầu vào (Input) được đưa qua một bộ hoán vị để đổi vị trí thành hai khối L0,R0
Khối R0 và khóa K1 kết hợp với nhau theo hàm f, kết quả của hàm f và L0 sẽ được đưa vào bộ XOR sinh ra R1 L1 lấy giá trị bằng R0
Cứ như vậy sau i bước ta sẽ được các giá trị Li, Ri
Sau 16 bước ta sẽ được L16, R16 Hai giá trị này sẽ được đưa vào bộ hoán vị
(đảo), kết quả sẽ được đầu ra.
Trên hình vẽ có hai khâu hoán vị, thực chất hai khâu này không có ý nghĩa gì trong việc mã hóa, nó được thêm vào với mục đích làm cho các thiết bị phần cứng làm việc thuận tiện hơn.
Các khóa K1,K2…K16 có độ dài 48bit được xây dựng nên từ khóa gốc 56 bit ở trên.
Nếu chỉ sử dụng khóa DES 64 bit như trên thì khả năng bảo mật không cao, nhất là với các máy móc mạnh như hiện nay Vì khóa là cố định, không thay đổi nên kẻ trộm có thể dựa vào dữ liệu mã hóa để dự đoán được dạng thông tin trong đó Để khắc phục hiện tượng này, người ta đưa ra hai giải pháp, giải pháp sử dụng vector
IV và giải pháp sử dụng FM.
Kĩ thuật IV sử dụng các thêm vào trước khóa gốc vector IV để hình thành khóa mới Mã hóa với vector IV được minh họa trên hình 3.17 Mỗi khi IV thay đổi, khóa cũng thay đổi theo.
Hình 3-21: Mã hóa với IV
Vector IV thay đổi với từng khung dữ liệu, điều này có nghĩa là nếu cùng một khung dữ liệu được truyền 2 lần khác nhau thì kết quả mã hóa ở mỗi lần cũng sẽ khác nhau
Kĩ thuật FM là sự thay đổi hẳn quá trình mã hóa Hình 3.18 minh họa quá trình mã hóa trong FM.
Hình 3-22: Mã hóa trong FM
Các khối dữ liệu mã hóa là kết quả của phép kết hợp giữa khối dữ liệu chưa mã hóa và khối dữ liệu đã mã hóa trước đó Tại khối dữ liệu đầu tiên, vì chưa thực hiện phép mã hóa nên một IV được thêm vào để thay đổi Như vậy khóa là kết hợp giữa IV và khóa gốc.
3.6.2 Mã hóa khóa công cộng Đây là phương pháp mã hóa về bản chất khác hẳn phương pháp mã hóa đối xứng Khả năng ứng dụng rộng rãi, đồng thời việc sử dụng cũng khá đơn giản. Giả sử A muốn trao đổi thông tin với B Thay vì A,B có một khóa chung B sở hữu hai khóa, một là khóa công cộng mà ai cũng có thể biết, một là khóa riêng mà chỉ một mình B biết Để gửi thông tin cho B, A sử dụng khóa công cộng của B và một thuật toán mã hóa để mã hóa nội dung cần gửi B nhận được thông tin A gửi, sử dụng khóa riêng của mình và thuật toán giải mã để giải mã. Ưu điểm của phương pháp này là người gửi và nhận không cần trao đổi khóa chung, kẻ xâm nhập rất khó có thể phá được tài liệu nếu không biết được khóa riêng tư của đối tương Các hệ thống mã hóa bằng khóa công cộng có nhiều đặc tính tuyệt vời không chỉ được dùng trong mã hóa mà cả chứng thực, chữ kí điện tử, là nền tảng vững chắc cho thương mại điện tử.
Thuật toán được sử dụng rộng rãi nhất trong mã hóa công cộng là thuật toán RSA Mã hóa công cộng có một cơ sở toán học vững chắc Thuật toán của nó cho phép sinh ra hai khóa có quan hệ tương hỗ nhau Trong đó nếu ta dùng một khóa để mã hóa dữ liệu gốc thì để giải mã được dữ liệu mã hóa thì chỉ bằng cách sử dụng khóa còn lại, và khóa này là duy nhất.
Hình 3-23: Mã hóa công cộng
Hình 3.19 mô tả quá trình mã hóa bằng khóa công cộng Để gửi thông tin cho người nhận, người gửi dùng khóa công cộng eB của người nhận và thuật toán mã hóa để mã hóa nội dung thông tin m muốn gửi Thông tin được truyền đi là thông tin đã được mã hóa eB(m) Người nhận nhận được, sử dụng khóa riêng của mình dB và thuật toán giải mã để giải mã
Giả sử dùng thuật toán mã hóa công cộng sinh ra hai khóa, khóa công cộng eB và khóa riêng dB Khóa công cộng được quảng bá cho những người khác còn khóa riêng thì chỉ người sở hữu mới biết. Đối với các hệ thống mã hóa, người gửi sẽ dùng khóa công cộng của người nhận để mã hóa thông tin Người nhận dùng mã riêng để giải mã. Đối với các hệ thống chứng thực, người gửi sẽ sử dụng mã riêng của mình để mã hóa thông tin chứng thực Người chứng thực sẽ sử dụng mã công cộng của người gửi để giải mã.
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ WIMAX
Khái niệm công nghệ Wimax
Wimax là tên viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access.
Về mặt kĩ thuật, Wimax là công nghệ dựa trên sự kết hợp giữa một phần chuẩn
802.16a và HiperMAN, những chuẩn mà được thiết kế ra với mục đích cung cấp một giải pháp truy nhập cho các mạng không dây băng rộng cỡ lớn, cụ thể là mạng đô thị MAN Với sự kết hợp của cả IEEE và ETSI, xét về mặt chuẩn hóa Wimax trở thành công nghệ chuẩn trên toàn thế giới.
Wimax với một số công nghệ đi trước
Mạng đô thị MAN theo định nghĩa là mạng bao phủ trên phạm vi một đô thị.
Về mặt ứng dụng, mạng trên mạng MAN người ta có thể triển khai cung cấp thông tin cho rất nhiều các loại dịch vụ công cộng khác nhau như y tế, văn hóa, xã hội…
Về mặt kĩ thuật, mạng MAN là tập hợp của rất nhiều công nghệ khác nhau, mỗi công nghệ tương ứng với một phần khác nhau trong mạng Cũng giống như các mạng LAN, WAN, mạng MAN chia làm hai loại: mạng MAN có dây và mạng MAN không dây Có ba ứng dụng cơ bản nhất xây dựng nên mạng MAN truy nhập là mạng backhaul, mạng truy nhập và các hotzone.
Wimax là công nghệ cho mạng MAN không dây Đã có khá nhiều công nghệ băng rộng không dây ra đời, nhưng cho tới nay, chưa có một công nghệ không dây băng rộng nào hướng tới mục tiêu cung cấp tổng hợp các giải pháp truy nhập cho mạng MAN một cách tối ưu như Wimax Các công nghệ đi trước chỉ cung cấp các giải pháp đơn lẻ, hướng tới một mục phần cụ thể trong mạng MAN ví dụ như LMDS hay WiFi,…
LMDS là công nghệ sử dụng dải tần trên 20GHz để truyền sóng LMDS là một chuẩn hoạt động dưới sự hậu thuẫn của các tổ chức quốc tế ATM Forum, ETSI, ITU,…Ở dải tần số lớn thế này, LMDS chỉ cho phép truyền sóng trong tầm nhìn thẳng (LOS) trong phạm vi vài cây số (5-7km) LMDS cho phép triển khai các dịch vụ tốc độ cao như thoại, video, Internet,…Hệ thống LMDS có tốc độ rất cao, hiệu suất điều chế của nó có thể đạt tới 5bit/Hz/s Do điều kiện truyền LOS, LMDS chỉ thích hợp với các mạng trục, các tổ chức doanh nghiệp có nhu cầu về tốc độ lớn. LMDS không thích hợp với các khách hàng riêng lẻ, các hộ gia đình.
WiFi thực ra là công nghệ hướng tới các mạng LAN không dây nhưng nó vẫn có thể dùng để triển khai cho các mạng rộng hơn như MAN Nhưng chính vì nó không được thiết kế cho MAN nên việc triển khai nó trong MAN gặp rất nhiều vấn đề Thứ nhất, dải tần làm việc của 802.11 là dải tần miễn phí, nhiễu rất lớn Do đó nó hoàn toàn không thích hợp với việc triển khai các dịch vụ công cộng cỡ lớn Thứ hai, 802.11 được thiết kế cho các mạng ít thuê bao, kênh truyền của nó cố định kích thước khoảng 20 MHz, rất kém linh hoạt Thứ ba, 802.11 chưa cung cấp cơ chế QoS, một vấn đề vô cùng quan trọng đối với các hệ thống mạng đa dịch vụ Thứ tư, mặc dù nếu ta truyền trong môi trường tốt, ít nhiễu, LOS, sử dụng các anten định hướng với công suất đủ lớn thì WiFi có thể đạt tới khoảng cách vài km nhưng phạm vi bao phủ như thế này cũng rất hẹp Thứ năm, WiFi không hỗ trợ kiến trúc Mesh, một kiến trúc đảm bảo sự liên thông tốt trong mạng đô thị….
Chỉ có sự ra đời của Wimax mới giải quyết được tất cả ba loại dịch vụ cơ bản trên của mạng MAN Nó có thể sử dụng các trạm gốc để thiết lập tuyến trục, phân phối dịch vụ tới khách hàng riêng lẻ hoặc thiết lập nên các vùng truy nhập dịch vụ. Hiện nay, Wimax được xem là một giải pháp toàn diện của công nghệ không dây băng rộng trong đô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… Wimax cho phép truyền không dây các loại dữ liệu, hình ảnh, âm thanh nhanh hơn cả DSL hay cáp, và tất nhiên là nhanh hơn nhiều lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu điều kiện truyền LOS Phạm vi bao phủ của Wimax có thể lên tới vài chục km với tốc độ lớn nhất là 70Mbps Băng thông của Wimax đủ để cung cấp đồng thời hàng trăm thuê bao T1 hoặc hàng trăm thuê bao DSL
Hiện nay, việc triển khai các mạng cáp như DSL có thể rất tốn thời gian và tốn kém, và kết quả là một số lượng lớn khách hàng có nhu cầu mà không được cung cấp dịch vụ Wimax khắc phục hạn chế này, nó có khả năng cung cấp dịch vụ nhanh chóng và dễ dàng, ngay cả ở những nơi như nông thôn, rừng núi,… những nơi vô cùng khó khăn và bất lợi đối với việc triển khai các hệ thống có dây hoặc là khả năng khắc phục những hạn chế về mặt vật lí trong các mạng có dây
Trong tương lai, Wimax sẽ được tích hợp vào các thiết bị không cố định như máy xách tay, PDA,…
Một số các ứng dụng điển hình của Wimax
Ứng dụng cho các mạng backhaul: Các nhà cung cấp dịch vụ internet thường phải thuê các đường truyền của một nhà cung cấp khác, điều này đã làm giá thành của dịch vụ trở nên đắt hơn Với tốc độ mà Wimax đạt được, họ có thể giảm được phần nào sự lệ thuộc này.
Các ứng dụng băng thông theo yêu cầu: Việc sử dụng Wimax là giải pháp cho mạng truy nhập sẽ thúc đẩy sự triển khai các mạng WLAN cũng như các điểm hotspot, đặc biệt là tại những nơi mà mạng cáp không thể tới được Wimax cũng cung cấp băng thông tùy vào các thỏa thuận đối với từng thuê bao.
Cung cấp dịch vụ băng thông rộng đến người dùng riêng lẻ: Hạn chế của các mạng cáp như DSL là khả năng mở rộng, với tới khách hàng Với DSL, khoảng cách chỉ có thể đạt tới 3 dặm, từ tổng đài trung tâm đến khách hàng Giới hạn này làm cho nhiều khách hàng có nhu cầu nhưng không được cung cấp dịch vụ Đối với mạng cáp cũ, rất nhiều các nhà cung cấp dịch vụ đã không trang bị, cải tiến hệ thống cũ thành hệ thống băng thông rộng bởi vì giá thành cho việc đó là quá đắt. Hơn thế nữa, cũng không có một chuẩn cụ thể cho việc triển khai này, tính tin cậy sẽ không được đảm bảo Và giải pháp cho điều này chính là Wimax Những tính năng như băng thông cao, không yêu cầu LOS, mềm dẻo, linh hoạt, giá thành rẻ làm chính là những điểm khắc phục hạn chế của mạng có dây.
Với khả năng triển khai đến các vùng ngoại ô, nông thôn, các vùng có mật độ dân cư ít, việc Wimax được chọn tại những vùng như thế này là hết sức tự nhiên.Điều này là bởi các mạng có dây khó có thể được đưa tới những nơi thế này, vừa triển khai khó, vừa lợi nhuận thấp.
Ưu điểm của Wimax
Thông lượng: Với việc sử dụng các mô hình điều chế hết sức linh hoạt và mạnh mẽ, Wimax có thể cung cấp thông lượng cao trong một phạm vi bao phủ rộng Các mô hình điều chế thích ứng động cho phép các BS cân bằng giữa thông lượng và khoảng cách Ví dụ, giả dụ như lúc này đang sử dụng mô hình điều chế64QAM, nếu với mô hình này, một BS không thể thiết lập một liên kết mạnh, tức là liên kết mà trên đó có thể thực hiện được việc truyền dữ liệu ở một mức tối thiểu có thể chấp nhận được, tới một thuê bao ở một khoảng cách nào đó, thì mô hình điều chế 16QAM hoặc QPSK sẽ được sử dụng, đồng nghĩa với tốc độ giảm đi nhưng khoảng cách xa hơn Thông lượng lớn nhất trong Wimax có thể đạt được là khoảng 70Mbps trong điều kiện truyền tốt.
Khả năng mở rộng: Để thực hiện dễ dàng việc triển khai (cell planning) ở cả dải tần cấp phép (licensed band) và dải tần miễn phí (license-exempt), 802.16 cung cấp một cách linh động các độ rộng kênh truyền khác nhau Ví dụ, nếu một nhà điều hành được đăng kí 20MHz tần phổ, nhà điều hành đó có thể chia làm hai sector, mỗi sector 10MHz, hoặc là 4 sector, mỗi sector là 5MHz, điều này ưu việt hơn hẳn so với một số mạng băng rộng khác có độ rộng kênh cố định như WiFi Bằng việc tập trung công suất, nhà điều hành vẫn có thể đảm bảo được chất lượng, phạm vi bao phủ cũng như phần nào thông lượng Để mở rộng mạng, vung bao phủ, họ có thể sử dụng lại tần số.
Phạm vi bao phủ: Để hỗ trợ một cách mạnh mẽ và linh động các mô hình điều chế, Wimax cũng cung cấp rất nhiều các kĩ thuật làm tăng phạm vi bao phủ.
Chất lượng dịch vụ (QoS): Khả năng cung cấp dịch vụ voice là đặc biệt quan trọng, nhất là trong môi trường toàn cầu như hiện nay Chính vì vậy Wimax cung cấp các thành phần đảm bảo QoS cho phép triển khai các dịnh vụ voice, video với độ trễ thấp Tính năng request/grant trong lớp MAC của 802.16 cho phép một nhà điều hành có thể cung cấp đồng thời các dịch vụ với độ đảm bảo khác nhau như dịch vụ T1 hoặc best-effort, giống như trong cable
Bảo mật: Tính năng bảo mât được tích hợp sẵn trong 802.16 cung cấp một cơ chế truyền thông tin cậy và an toàn 802.16 định nghĩa riêng một lớp con cho bảo mật thuộc lớp MAC gọi là lớp SS.
Wimax Forum
Việc chuẩn hóa một công nghệ là điều rất quan trọng để đưa vào ứng dụng, tuy nhiên, chuẩn hóa không vẫn chưa đủ Như 802.11b được thông qua từ năm 1999 nhưng nó vẫn không được ứng dụng rộng rãi cho tới khi Wi-Fi Forum ra đời Tổ chức này tạo ra những nền tảng cơ bản để các thiết bị có thể làm việc được với nhau, thúc đẩy sự phổ biến rộng rãi của công nghệ WiFi
Wimax Forum cũng là một tổ chức tương tự được thành lập tháng 6/2001 bởi các nhà cung cấp thiết bị, các nhà cung cấp các sản phẩm liên quan, các nhà cung cấp dịch vụ… Công việc của Wimax Forum là tạo nên một sự thuận tiện nhất cho việc triển khai các mạng băng rộng không dây dựa trên nền tảng 802.16a bằng việc đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị Các thiết bị, sản phẩm đạt tiêu chuẩn của Wimax sẽ được chứng nhận và vì thế các nhà cung cấp dịch vụ khi mua thiết bị đã được chứng nhận sẽ không phải lo ngại về tính tương thích của các thiết bị, các hệ thống với nhau Vì vậy việc hình thành nên Wimax Forum có tác dụng tăng tính cạnh tranh, giảm giá thành, thúc đẩy ngành công nghiệp phát triển mạnh hơn
Hai công ty tham gia đầu tiên và đóng vai trò then chốt vào Wimax Forum là
Intel và Alvarion Intel là nhà sản xuất bộ xử lí đứng đầu thế giới, trong đó có bộ xử lí Wimax, còn Alvarion là nhà cung cấp các hệ thống không dây băng rộng hàng đầu thế giới Việc hai người khổng lồ này ủng hộ tích cực công nghệ Wimax cho thấy một tương lai vô cùng sáng sủa của công nghệ này.
CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG WIMAX
Những băng tần cơ bản sau được sử dụng trong 802.16
Băng tần phải đăng kí 10GHz-66GHz: Băng tần này cung cấp một phương tiện truyền dẫn mà ở đó tần số cao, bước sóng ngắn, yêu cầu là giữa trạm thu và phát phải ở trong tầm nhìn thẳng LOS do hiệu ứng đa đường ảnh hưởng đáng kể tới việc truyền dẫn Ở trong băng tần này, độ rộng kênh truyền thông thường là 25MHz hoặc 28MHz Với tốc độ truyền dẫn lí thuyết là 120Mbps, môi trường này cũng khá thích hợp cho truyền thông PMP giữa các văn phòng lớn Mô hình điều chế đơn sóng mang được sử dụng ở trong băng tần này.
Băng tần 2-11GHz: Băng tần này gồm cả các dải tần phải đăng kí và không phải đăng kí Nó là phương tiện truyền dẫn mà ở đó tần số thấp hơn, có bước sóng dài hơn Ở trong băng tần này LOS là không thực sự cần thiết, các hiệu ứng truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS có thể khắc phục được Người ta sử dụng băng tần này với mục đích cung cấp các ứng dụng NLOS, có nghĩa là một loạt các kĩ thuật sẽ được bố sung để đạt được kết quả này.
Mô hình tham chiếu
Hình vẽ 5.1 mô tả các phân lớp trong 802.16.
Cũng giống như các bộ chuẩn khác họ 802 của IEEE, 802.16 chỉ tập trung vào việc mô tả và chuẩn hóa hai lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý trong mô hình OSI. Lớp MAC mô tả trong 802.16 bao gồm ba lớp con: lớp con hội tụ (CS), lớp con MAC (MCPS) và lớp con bảo mật (SS)
Lớp con CS cung cấp bất cứ việc chuyển đổi hoặc ánh xạ từ các mạng mở rộng khác như ATM, Ethernet, thông qua một điểm truy nhập dịch vụ SAP Chính xác hơn, lớp này làm nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin phù hợp với định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp MCPS Cũng tại đây sẽ diễn ra sự phân lớp dịch vụ của các mạng ngoài để ánh xạ vào một dịch vụ thích hợp trong 802.16.
Lớp con MCPS cung cấp các chức năng chính của lớp MAC, đó là các chức năng như truy nhập, phân bố băng thông, thiết lập, quản lí kết nối Nó sẽ nhận dữ liệu từ các CS khác nhau để quản lí trong mộts kết nối MAC riêng Chất lượng dịch vụ cũng sẽ được áp dụng trong việc truyền và sắp xếp dữ liệu.
Lớp con bảo mật SS cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa.
Hình 5-24: Mô hình tham chiếu của 802.16
Lớp vật lí bao gồm rất nhiều các định nghĩa khác nhau, mỗi cái thích hợp cho một dãy tần số và ứng dụng riêng Phần này sẽ được mô tả cụ thể sau.
Lớp con hội tụ CS
Một kết nối được hiểu là một ánh xạ từ MAC-BS tới MAC-SS với mục đích vận chuyển lưu lượng của một loại dịch vụ Mỗi kết nối được xác định bởi một CID là viết tắt của chữ Connection Identifier, có độ dài 16bit.
Lớp con hội tụ CS nằm ở trên đỉnh của lớp MAC và thi hành một số các chức năng như nhận các PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ mà xử lí các PDU, phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP thích hợp
Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệuSDU, ánh xạ nó vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS Để đảm bảo thực hiện được điều này, lớp CS có thể sử dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí Hiện tại chỉ có hai định nghĩa được được cung cấp trong 802.16: ATM CS và Packet CS ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như Ipv4, Ipv6, Ethernet, VLAN,… Những định nghĩa khác có thể sẽ được hỗ trợ trong tương lai.
ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lí, phân lớp dịch vụ và phân phối nó xuống lớp dưới.
Các kết nối ATM thông thường được xác định bởi một cặp giá trị VPI và VCI, trong cả hai chế độ chuyển mạch đường và chuyển mạch kênh Ở chế độ chuyển mạch đường (VP-switched mode), tất cả các VCI trong một VPI (VIP ingoing) sẽ được ánh xạ vào một VPI (VPI outgoing) đầu ra duy nhất Còn trong chế độ chuyển mạch kênh (VC-switched mode), cặp giá trị đầu vào VPI/VCI cũng sẽ được ánh xạ tới một cặp giá trị VCI/VPI tương ứng Chính vì vậy lớp CS phải phân biệt, xử lí được các loại kết nối này.
Trong chế độ chuyển mạch đường, trường VPI có 12 bit đối với NNI và 8 bit đối với UNI sẽ được ánh xạ vào một giá trị CID tương ứng với một kết nối trong 802.16 Sự ánh xạ này có thể coi tương ứng với sự phân lớp dịch vụ trong 802.16.
CS PDU cho chế độ này được mô tả ở hình dưới đây:
Hình 5-25: Cấu trúc của ATM-CS PDU chế độ chuyển mạch đường
Hình trên cho thấy các VPI được ánh xạ vào CID, điều này cho phép loại bỏ các trường không còn thích hợp trong tiêu đề tế bào ATM, chỉ còn để lại các trường như VCI, PTI, CLP và trường dự trữ.
Trong chế độ chuyển mạch kênh, trường VPI/VCI có tổng số 28bit đối với NNI và 24 bit đối với UNI sẽ được ánh xạ vào một giá trị CID Tuy nhiên vì CID chỉ có 16bit nên sự ánh xạ này sẽ không được xảy ra đồng thời.
Hình 5-26: Cấu trúc khung ATM-CS PDU chế độ chuyển mạch kênh
Hình trên mô tả một CS PDU với kết nối chuyển mạch kênh trong ATM
Packet CS Định nghĩa này dành cho các giao thức dựa trên chuyển mạch gói như IP, PPP hay Ethernet… Các MAC SDU sẽ được phân loại bằng cách ánh xạ nó vào một kết nối riêng, điều đó cũng có nghĩa là MAC SDU cũng sẽ được ánh xạ vào một luồng dịch vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng
Bộ phân lớp dịch vụ là một tập hợp các tiêu chuẩn được áp dụng vào từng gói tin đã được định nghĩa sẵn trong 802.16 Nó phân loại dựa vào các yếu tố như: tiêu chuẩn về giao thức gói tin, độ ưu tiên và CID.
Hình 5-27: Quá trình phân loại MAC SDU
Hình vẽ 5.4 mô tả quá trình phân loại các MAC SDU trước khi truyền Gói tin được đưa từ các lớp cao xuống CS, tại đây diễn ra quá trình phân loại các gói tin và kết quả sẽ ánh xạ gói tin vào một CID thích hợp.
Lớp con MCPS
Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có mấy dạng kiến trúc là P2P, PMP và Mesh Kiến trúc P2P xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối xảy ra giữa từng cặp BS, SS Kiến trúc PMP là sẽ có một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau So với P2P thì PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu suất tốt nhưng phạm vi bao phủ thường hẹp hơn nhiều Kiến trúc PMP trong triển khai thường được tổ chức thành các vùng (sector) và nó hỗ trợ tốt trong truyền thông multicast 2
2 Truyền multicast có nghĩa là một bản tin từ một người gửi có thể truyền tới một nhóm người xác định
Lúc đầu thiết kế chưa có kiến trúc Mesh, sau này khi có thêm thiết kế bổ sung 802.16a, kiến trúc Mesh đã được thêm vào Kiến trúc Mesh là kiến trúc mà bao giờ cũng có một đường liên kết giữa hai điểm bất kì Hình 5.5 dưới đây minh họa ba loại kiến trúc.
Hình 5-28: Các kiến trúc trong 802.16 Đối với PMP, sẽ có một BS làm trung tâm, làm nhiệm vụ phục vụ và quản lí đồng thời nhiều SS khác nhau trong một vùng Tại đường xuống, thông thường toàn bộ dữ liệu sẽ được phát quảng bá SS phân tích và kiểm tra xem dữ liệu nào trong số đó được gửi tới mình để thu nhận, tức là SS sẽ kiểm tra trường CID trong MAC PDU, nó sẽ chỉ chấp nhận xử lí những PDU có CID thích hợp Tại đường lên, việc truyền của SS sẽ tùy vào lớp dịch vụ mà nó đăng kí
Sự khác biệt chủ yếu giữa kiến trúc dạng PMP và Mesh là ở trong PMP, dữ liệu chỉ được truyền giữa BS và SS còn trong Mesh thì dữ liệu có thể được truyền giữa các SS với nhau Với Mesh, một mạng (trong một vùng) sẽ có chỉ một kết nối trực tiếp với vùng khác, trạm làm nhiệm vụ này được gọi là Mesh BS Còn tất cả những trạm khác đều gọi chung là Mesh SS và thông thường được gọi là các nút.Trong Mesh có khái niệm Neighbour, Neighbourhood, và Extended-Neighbourhoo d Neighbour của một nút là một nút có kết nối trực tiếp vào nút đó Neighbourhood của một nút là tập hợp các nút có kết nối trực tiếp vào nút đó Extended-Neighbourh ood tính thêm cả các Neighbourhood của các Neighbour.
Mặc dù 802.16 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiến trúc được quan tâm nhất Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS Trên đường xuống (downlink), dữ liệu đưa tới SS được hợp kênh theo kiểu TDM Các SS chia sẻ đường lên theo dạng TDMA.
Mỗi SS sẽ có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48bit, giống như được định nghĩa trong 802 nói chung Địa chỉ này là duy nhất cho thiết bị trên toàn thế giới.
Nó được sử dụng trong quá trình khởi tạo kết nối Nó cũng có thể được dùng để chứng thực giữa BS và SS với nhau. Đối với PMP: Các SS còn được phân biệt bởi các kết nối, chính xác là các
CID 3 Trong 802.16 phân ra làm một số loại kết nối
Kết nối quản lí (management connection) là các kết nối làm nhiệm vụ điều khiển quá trình trao đổi tin giữa SS và BS Kết nối quản lí lại có ba dạng: kết nối cơ bản (Basic Connection) được sử dụng để trao đổi các bản tin quản lí ngắn, khẩn cấp, các bản tin điều khiển đường truyền Kết nối sơ cấp (primary connection) dùng để trao đổi các bản tin quản lí dài hơn, có thể trễ lâu hơn Còn kết nối thứ cấp (Secondary Connection) không yêu cầu chặt chẽ về độ trễ, được dùng để trao đổi các bản tin IP có tính chất quản lí như DHCP, TFTP, SNMP,…
Tại thời điểm SS khởi tạo kết nối, cả ba loại kết nối quản lí trên sẽ được thiết lập trong đó hai kết nối đầu bắt buộc phải có là kết nối cơ bản và kết nối sơ cấp, kết nối thứ cấp là tùy lựa chọn Các kết nối này thể hiện các mức độ chất lượng khác nhau cho các bản tin trao đổi giữa SS và BS.
802.16 MAC có tính hướng kết nối Tất cả các dịch vụ, kể cả các dịch vụ phi kết nối ở các lớp phía trên cũng sẽ được ánh xạ vào một kết nối mới
802.16 cung cấp cơ chế yêu cầu băng thông kết hợp với chất lượng dịch vụ và các thông số về lưu lượng, vận chuyển, phân phối dữ liệu một cách hợp lý đến lớp
3 Lí do mà CID được sử dụng thay thế MAC trong các quá trình trao đổi tin có lẽ là do trong truyền thông không dây, có rất nhiều loại thông tin cần trao đổi như thông tin điều khiển đường truyền, cấp phát băng thông, điều khiển truy nhập, điều khiển công suất,… mà nếu chỉ sử dụng một địa chỉ MAC để xử lí thì sẽ rất khó khăn.
CS và thực hiện tất cả những hoạt động liên quan tới các thỏa thuận dịch vụ
Ngoài các kết nối quản lí trên, SS còn được phân bố các loại kết nối khác Các kết nối vận chuyển (transport connection) dùng để vận chuyển loại dữ liệu tùy vào các thỏa thuận giữa SS và BS, một kết nối dành cho truy nhập dựa trên sự va chạm (Contention-based Access), một kết nối dành cho phát bản tin broadcast, báo hiệu, một số kết nối cho multicast. Đối với Mesh: Khi giao tiếp với Mesh BS, các nút sẽ sử dụng một tham số
16bit là NodeID NodeID sẽ được đính vào sau tiêu đề của MAC PDU Để đánh địa chỉ trong một neighbourhood, một số 8 bit được sử dụng gọi là LinkID Mỗi nút sẽ đăng kí một ID cho một kết nối với neighbour của nó Một phần CID sẽ được sử dụng làm LinkID.
5.4.2 Định dạng của MAC PDU
Các PDU, SDU được hình thành qua các lớp được thể hiện trên hình 5.6 SDU là đơn vị dữ liệu từ lớp trên gửi xuống, giả sử từ lớp N+1 xuống lớp N, tại lớp N, đơn vị dữ liệu này sẽ được xử lí, thêm các thông tin điều khiển để trở thành PDU của lớp N và SDU của lớp N-1.
Lớp bảo mật trong 802.16
Khác với các chuẩn không dây băng rộng khác, 802.16 thiết kế hẳn một lớp con bảo mật, lớp này làm cung cấp các cơ chế điều khiển truy nhập tin cậy, đảm bảo an toàn cho dữ liệu trên đường truyền 802.16 chống lại việc truy cập trái phép các dịch vụ bằng việc mã hóa các luồng dịch vụ Nó có các giao thức quản lí khóa tại
BS để thực hiện chứng thực và cấp phát các khóa tới SS cần thiết Trong quá trình thượng lượng về bảo mật giữa SS và BS, nếu một SS không cung cấp các cơ chế bảo mật của 802.16 thì các bước chứng thực và cấp phát khóa sẽ được bỏ qua BS nếu chấp nhận điều đó thì sẽ vẫn cho phép SS được truyền dữ liệu, ngược lại BS sẽ không cho phép Chỉ có hai loại kết nối được bảo vệ trong 802.16 là các kết nối vận chuyển và kết nối thứ cấp Các kết nối quản lí, điều khiển khác không cần phải bảo vệ.
Trong bảo mật 802.16 có hai loại giao thức chính.
Giao thức xử lí đóng gói, mã hóa Giao thức này làm các nhiệm vụ như: định nghĩa hệ thống mã hóa, kết hợp giữa mã hóa dữ liệu và chứng thực, xử lí các MAC PDU.
Một giao thức quản lí khóa gọi là PKM cung cấp cơ chế phân phối khóa từ BS tới SS Thông qua giao thức này, BS và SS có thể đồng bộ khóa với nhau BS sử dụng giao thức này để thực thi các điều kiện truy nhập vào mạng.
SA là tập hợp các thông tin dùng chia sẻ giữa BS và SS nhằm đảm bảo tính an toàn trong trao đổi SA làm nhiệm vụ duy trì trạng thái bảo mật của một kết nối Có hai loại SA là SA cho dữ liệu (DSA) và SA cho chứng thực (ASA) nhưng 802.16 chỉ định nghĩa DSA, loại SA được dùng để bảo vệ các kết nối chuyển vận giữa các
SS và BS Có ba loại DSA là loại DSA chính, loại DSA tĩnh và loại DSA động. DSA chính được thiết lập trong suốt quá trình khởi tạo DSA tĩnh được cấu hình sẵn trên BS, DSA động được đặt tùy vào các kết nối Cả DSA tĩnh và DSA động đều có thể được sử dụng bởi 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 SA, khả năng này dùng để cung cấp các dịch vụ multicast Ngay sau khi SS tham gia vào mạng, một SA cũng sẽ được tạo ra trên kết nối thứ cấp Như vậy, SS thông thường sẽ có hai hoặc ba SA: một SA cho kết nối thứ cấp, một SA cho kết nối chuyển vận đường lên, một SA 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
5.5.2 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 BS cấp cho SS ngay sau khi SS được chấp nhận Cả BS và SS đều biết AK Về phía BS, AK được dùng để thực thi các thuật toán đảm bảo tính toàn vẹn các thông tin trong quá trình trao đổi khóa và mã hóa khóa TEK để gửi cho SS, tức là AK chứa KEK Về phía SS, AK cũng được dùng để giải mã, đảm bảo tính toàn vẹn các thông tin yêu cầu gửi tới BS cũng như để giải mã khóa TEK AK có thể coi là khóa cũng có thể coi là tập hợp các thông tin để khởi tạo nên 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.
Là khóa đối xứng. Để nâng cao độ an toàn, các khóa trên không phải là cố định mà chúng sẽ có một thời gian sống riêng Thời gian sống của các khóa có thể thay đổi tùy cầu hình từ BS và SS.
Một SS sẽ sử dụng giao thức PKM để nhận được sự cấp phép và các khóa từ
BS Giao thức này sử dụng chứng chỉ điện tử X509, thuật toán mã hóa RSA cùng một loạt thuật toán mã hóa khác để trao đổi khóa giữa BS và SS PKM cũng làm việc theo mô hình client/server, ở đó SS (client) yêu cầu các thông tin về khóa và
BS (server) sẽ đáp trả các yêu cầu này PKM sẽ sử dụng các bản tin quản lí PKM sử dụng cơ chế mã hóa công cộng để thiết lập nên một cơ sở bảo mật riêng 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 các thông tin mà nhà sản xuất ghi sẵn lên thiết bị Tiến trình này BS thực hiện các việc: nhận dạng SS, BS cung cấp cho SS thông tin AK, SAID….
SS bắt đầu chứng thực bằng cách gửi một bản tin chứng thực tới BS, gọi là bản tin AI (Authorization Information) Bản tin chứng thực này là các thông tin về X.509 của nhà sản xuất thiết bị AI hoàn toàn mang tính chất thông tin, BS có thể nhận nó hoặc lờ đi Tuy nhiên, AI là bản tin chứa toàn bộ những thông tin cần thiết về thiết bị và nhà sản xuất.
Ngay sau đó SS gửi một bản tin yêu cầu chứng thực là Authorization Request tới BS Yêu cầu này gồm có các thông tin như: X.509, bản mô tả các thuật toán mã hóa chứng thực mà SS có thể sử dụng, CID của kết nối cơ bản (CID này được BS cấp cho SS trước đó) hay cũng chính là SAID.
Lớp vật lý65
Lớp vật lý trong chuẩn 802.16-2004 mới nhất có bốn đặc tả:
- Đặc tả SC (Single Carrier): Sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16 ban đầu.
- Đặc tả SCa: Đặc tả này cũng sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin nhưng nó có thêm một số cải tiến Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16a.
- Đặc tả OFDM: Đặc tả OFDM dựa trên nền công nghệ OFDM cho phép truyền thông tin trên nhiều sóng mang khác nhau Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16a.
- Đặc tả OFDMA: Đặc tả OFDMA cũng dựa trên nền công nghệ OFDM nhưng nó hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo sóng mang.
Công nghệ Wimax dựa trên đặc tả OFDM Phần dưới đây sẽ mô tả kĩ về đặc tả này.
5.6.1 Tần số làm việc và độ rộng kênh truyền
Wimax làm việc ở dải tần dải tần 2-11GHz, gồm cả dải tần số đăng kí và không đăng kí, có thể truyền NLOS hoặc LOS Đối với dải tần số đăng kí, Wimax sử dụng hai dải tần là 2.5GHz và 3.5GHz. Hai dải tần này được sử dụng hầu như khắp mọi nơi trên thế giới Còn đối với dải tần số không đăng kí, Wimax chỉ sử dụng UNII 5GHz vì ISM 2.4GHz đã được sử dụng rất nhiều, nếu tiếp tục sử dụng ISM 2.4GHz thì các dịch vụ của Wimax sẽ gặp các vấn đề lớn về nhiễu.
Không như một số hệ thống khác, Wimax hỗ trợ độ rộng kênh rất linh hoạt, có thể dao động từ 1.25MHz đến 20MHz Băng thông là một tài nguyên rất quý, nếu không được sử dụng một cách linh hoạt thì sẽ gây lãng phí lớn Giả sử một hệ thống chỉ hỗ trợ kênh có độ rộng 6MHz trong khi nhà cung cấp được sở hữu một dải thông có độ rộng 8MHz thì như vậy sẽ gây lãng phí mất 2MHz Bây giờ, thay vì chỉ hỗ trợ 6MHz, hệ thống có thể hỗ trợ cả kênh có độ rộng 4MHz, như vậy nhà cung cấp dịch vụ sẽ sử dụng được toàn bộ dải thông mà mình được cấp.
Tính năng làm việc được trên nhiều dải tần và cung cấp các kênh có độ rộng linh hoạt cho phép xây dựng nên các hệ thống Wimax hiệu quả, tối ưu và phổ rộng.
Nó làm cho Wimax trở nên ưu việt hơn các công nghệ khác, thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ này.
5.6.2 Duplexing và đa truy nhập
Wimax cung cấp cả hai chế độ FDD và TDD Ở chế độ FDD, các khung dữ liệu đường lên và đường xuống được tách ra làm các kênh riêng còn ở chế độ TDD, các khung dữ liệu đường lên, đường xuống nằm ở cùng một kênh
Cơ chế đa truy nhập trong Wimax là đa truy nhập phân chia theo thời gianTDMA Các thuê bao sẽ được cung cấp các khe thời gian khác nhau.
Một OFDM Symbol được tạo thành từ các sóng mang con, tương ứng với kích thước của biến đổi FFT OFDM Symbol gồm tất cả các thông tin mà các sóng mang con vận chuyển sau một biến đổi FFT Trong một symbol có ba loại sóng mang: sóng mang dữ liệu dùng để truyền dữ liệu, sóng mang dẫn đường cho mục đích dự báo sự thay đổi và sóng mang rỗng sẽ không truyền bất cứ gì, được dùng để làm khoảng bảo vệ.
Cấu trúc theo miền thời gian của symbol có dạng sau:
Hình 5-39: Cấu trúc symbol trong miền thời gian
Symbol có độ dài Ts, trong đó Tb là khoảng thời gian thực của symbol còn
Tg=Ts-Tb là giá trị thêm vào để chống hiện tượng đa đường Phần này còn được gọi là CP (Cyclic Prefix), nó có thể có các giá trị khác nhau tùy vào hệ thống CP thường là sao chép một phần cuối của symbol Khi khởi tạo, một SS sẽ tìm kiếm tất cả các giá trị có thể của CP cho tới khi tìm ra được giá trị CP đã được sử dụng bởi
BS SS sẽ cũng sẽ sử dụng giá trị này cho đường lên Mỗi khi một giá trị CP được chọn bởi BS, nó không nên thay đổi vì thay đổi CP đồng nghĩa với việc các SS phải thực hiện đồng bộ lại, tìm kiếm lại CP.
Cấu trúc của symbol trên miền tần số có dạng:
Hình 5-40: Cấu trúc symbol trong miền tần số
5.6.4 Sơ đồ khối quá trình truyền-nhận
Hình 5-41: Quá trình truyền-nhận
Thông tin từ lớp trên cũng như thông tin của lớp vật lý sẽ được nhồi vào các symbol Để truyền được dữ liệu, các quá trình gồm có mã hóa kênh, điều chế OFDM thành các symbol và điều chế cao tần.
Quá trình truyền bao gồm các quá trình nhỏ sau
Gồm hai ba quá trình nhỏ là quá trình ngẫu nhiên hóa, quá trình mã hóa sửa lỗi FEC và quá trình xen kẽ.
Quá trình ngẫu nhiên hóa
Quá trình được gọi là ngẫu nhiên nhưng thực chất đó chỉ là sự giả ngẫu nhiên. Tức là một cụm các bit đầu vào sẽ được biến đổi sao cho xác suất xuất hiện các bit
0 và 1 là tương đương nhau, chống lại hiên tượng quá nhiều bit 0 và bit 1 cùng xuất hiện Nhưng quá trình này có chu kì lặp lại nên trong một khoảng thời gian nhất định thì coi nó là ngẫu nhiên Điều này có hai tác dụng Thứ nhất, và quan trọng nhất là nó đảm bảo được sự đồng bộ với bên thu, đồng hồ bên thu sẽ dễ dàng được khôi phụ hơn, qua đó sự giải điều cũng dễ hơn Thứ hai, đối với các thiết bị mà không có được bộ giải điều chế ngẫu nhiên thì các tín hiệu này giống như các tín hiệu nhiễu, tạp (xác suất bit 1 và 0 là ngang nhau), nó sẽ không thu nhận được.
Quá trình mã hóa sửa lỗi Đây là quá trình mã hóa để sửa lỗi trong trường hợp các bit bị hỏng, bị sai trên đường truyền Trong những điều kiện truyền không tốt, dữ liệu bị hỏng, bên thu có thể dựa vào quá trình giải mã để hồi phục lại nguyên vẹn thông tin Wimax kết hợp cả hai loại mã sửa lỗi là mã khối và mã chập Dữ liệu được mã hóa bằng mã khối, sau đó sẽ được mã hóa bằng mã chập Mã khối được dùng là mã Reed-Solomon. Bảng 5.3 mô tả cụ thể đối với mã sửa lỗi với các lựa chọn khác nhau:
Bảng 5.3: Các mô hình mã hóa
Mã hóa RS(n,k,t) nghĩa là ta sẽ k bit đầu vào, n bit đầu ra và ta có thể sửa được t lỗi.
Mã hóa CC n/k nghĩa là ta có k bit đầu vào và n bit đầu ra
Ví dụ khi dùng điều chế QPSK với 24 byte đầu vào chưa được mã hóa Khi qua bộ mã hóa Reed-Solomoon RS (32,24,4) ta sẽ có 32 byte đầu ra Tiếp tục cho qua bộ mã hóa CC2/3 ta sẽ có 48 byte đầu ra Như vậy số byte đầu vào là 24 và số byte đầu ra tổng cộng là 48 Kết quả ta cú hệ số mó húa chung là ẵ.
ỨNG DỤNG CỦA WIMAX
Mô hình kết nối tổng quát
Một cách tổng quát, mô hình tổ chức tổng thể của hệ thống Wimax sẽ bao gồm các thành phần sau:
Trạm gốc - Wimax BS (Base Station)
Các trạm gốc này sẽ đóng vai trò giống như một điểm truy cập AP trong công nghệ không dây WiFi trước đây, và là nơi tiếp nhận các kết nối và giao tiếp với các thiết bị đầu cuối Tuy nhiên về phương diện kỹ thuật và khả năng họat động, cácWimax BS sẽ vượt trội hẳn so với Wifi AP.
Hình 6-46: Mô hình cơ bản của một Wimax BS
Wimax BS sẽ được trang bị những tính năng sau:
Được trang bị nhiều anten tùy thuộc vào ứng dụng của BS Thông thường là nhiều anten nhằm bảo đảm việc phủ sóng đủ cho cả 360 0 xung quanh BS Các anten này sẽ làm nhiệm vụ tiếp nhận sóng kết nối của thiết bị không dây đầu cuối hoặc truyền ngược lại.
Có khả năng hỗ trợ và giao tiếp trên một dãy tần rộng đi từ 2-11Ghz Cho phép giao tiếp đồng thời với nhiều chuẩn không dây hiện tại và trong tương lai
Hỗ trợ đồng thời được cả 3 loại hình kết nối P2P và PMP và Mesh Điểm đặc biệt của công nghệ Wimax là không phụ thuộc vào vấn đề LOS Đây là một ưu điểm vượt trội lớn so với công nghệ WiFi trước đây Điều này có nghĩa là nó vừa có thể giao tiếp với nhau, vừa có thể cung cấp các dịch vụ cho đầu cuối
Khả năng tương thích với nhiều loại đầu cuối của Wimax BS
Cho phép một số lượng lớn lên đến vài ngàn phỉên kết nối đồng thời kết nối đến các trạm gốc này
Cho phép kết nối ở khỏang cách xa lên đến hàng chục km với băng thông lớn nhất lên đến 70Mbps
Rõ ràng, thông qua các tính năng vượt trội đã đề cập bên trên, các Wimax BS sẽ là lựa chọn lý tưởng để triển khai hệ thống phủ sóng bao phủ cả một diện tích rộng lớn Bên cạnh đó, đặc điểm không đòi hỏi phải LoS trong mô hình điểm-đa- điểm sẽ cho phép chúng ta vựơt qua các trở ngại về vật cản, che chắn trong khu đô thị một cách dễ dàng.
Cũng giống như các BS trong hạ tầng của các nhà cung cấp dịch vụ điện thọai di động, một Wimax BS sẽ phủ sóng cho hàng ngàn thiết bị đầu cuối Việc tổ chức và phân bố các BS sẽ do các nhà cung cấp dịch vụ quyết định Các tính toán về số lượng BS, độ mạnh của các BS cũng phải phụ thuộc vào đặc điểm của từng khu vực khác nhau.
Các thành phố, đô thị thường rất phức tạp về hạ tầng, kiến trúc xây dựng, nên ít nhiều cũng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của dịch vụ không dây thế hệ mới được cung cấp do sự che chắn của chúng Bên cạnh đó, mật độ dân cư, cũng như là mật độ người dùng đầu cuối của các địa điểm này thừong khá lớn Do mỗi Wimax BS chỉ đáp ứng được vài ngàn đầu cuối đồng thời kết nối đến, nên tương ứng chúng ta phải triển khai số lượng lớn BS cho mỗi khu vực này Việc dùng nhiều là nhằm đáp ứng về số lượng lớn người dùng Còn về băng thông kết nối và khỏang cách cho phép, hệ thống BS này chắc chắn sẽ đáp ứng và đảm bảo phủ sóng đến mọi điểm thuộc các thành phố này Một điểm quan trọng cần nhấn mạnh là với hạ tầng Wimax BS đủ mạnh, hoàn toàn có thể thay thế tất cả các dịch vụ truy cập Internet dựa trên nền cáp đồng, cáp mạng thậm chí cáp quang bằng dịch vụ của Wimax. Với các vùng ngoại ô, thì dân cư thưa thớt hơn, các vật cản, nhiễu cũng ít hơn. Các BS hoạt động hiệu quả hơn nhưng cũng hạn chế hơn về số lượng thuê bao. Thông thường các khu vực này, các BS không nhiềuĐối với các khu vực địa lý đặc thù như vùng cao, hải đảo
Những vùng sâu vùng xa, hải đảo có đặc thù địa lý của luôn là một trở ngại lớn cho các nhà cung cấp dịch vụ khi muốn mở rộng dịch vụ đến các người dùng tại đây Việc kéo cáp đến những điểm này không phải không khả thi, nhưng lại cần một chi phí cực lớn trong khi số lượng thuê bao lại khá ít Vì thế, dường như chỉ có các dịch vụ không dây là có thể giải quyết được bài toán này một cách hiệu quả nhất Đây cũng chính là mục tiêu của Wimax Trong trường hợp cụm đảo nằm xa hơn mức cho phép, chúng ta có thể dùng Viba hoặc thậm chí vệ tinh để nối từ đất liền ra một đảo nào đó Khi đó, ta sẽ đặt một Wimax BS để phủ sóng cho tòan bộ các đảo xung quanh đó.
Trạm thuê bao có thể là các các thiết bị có anten gắn cố định trên các tòa nhà đối với các dịch vụ không dây băng rộng cố định hoặc là các cạc giao tiếp được gắn vào các thiết bị di động như máy xách tay, PDA,…
Trung tâm quản lí là nơi bắt buộc phải có đối với các các mạng nói chung và Wimax nói riêng Các Wimax BS sẽ được kết nối về một điểm tập trung duy nhất.
Và các trung tâm quản lý sẽ được hình thành tại những điểm tập kết này
Trung tâm quản lí là nơi làm nhiệm vụ giao tiếp giữa mạng Wimax và các mạng khác, nơi kiểm soát thông tin truyền trong mạng Wimax, nơi kiểm tra các trạm Wimax SS,… Trung tâm quản lý sẽ như hình bên dưới:
Hình 6-47: Trung tâm quản lí
Về cơ bản, trung tâm quản lý cần có các thành phần sau:
Bộ kết hợp : Các thông tin từ BS sẽ qua bộ này trước khi đi vào trung tâm quản lí , đây giống như bộ giao tiếp giữa BS và trung tâm quản lí
Gateway: Cửa ngõ dành cho thuê bao, quản lý tất cả thông tin dữ liệu trao đổi của thuê bao hệ thống Wimax Việc chứng thực người dùng hay tính cước khai thác Internet đều phải thông qua Gateway này Chính vì lẽ đó, gateway luôn được đặt tại cửa ngõ liên thông Internet duy nhất của toàn hệ thống Gateway có cả chức năng của tường lửa, có nhiệm vụ chính là bảo vệ cho trung tâm quản lý nói riêng, và toàn hệ thống Wimax nói chung Vì toàn hệ thống chỉ sử dụng một cửa ngõ đi Intetnet duy nhất , nên hệ thống tường lửa tại đây đòi hỏi phải có thông lượng khá tốt, hoạt động hiệu quả và ổn định.
Hệ thống máy chủ: Hệ thống máy chủ có nhiệm vụ hỗ trợ cho gateway, nó gồm nhiều máy chủ với các chức năng khác nhau như tính cước, chứng thực…
Mô hình ứng dụng của Wimax
6.2.1 Mô hình ứng dụng cho mạng truy nhập
Hình 6-48: Mô hình ứng dụng cho mạng truy nhập
Việc phân phối các dịch vụ cho người dùng cuối thuộc phạm vi của mạng truy nhập Trước đây, công việc này được tách biệt riêng giữa mạng thoại và số liệu Đối với mạng số liệu sẽ do các nhà cung cấp dịch vụ như DSL, Dialup, Cable Modem… thực hiện còn đối với mạng thoại PSTN thì sẽ do nhà cung cấp dịch vụ PSTN thực hiện
Wimax cung cấp một giải pháp thay thế và kết hợp, thuê bao Wimax vừa có thể đồng thời sử dụng dịch vụ thoại và số liệu Như hình trên cho thấy, tại phía nhà cung cấp dịch vụ Wimax, hai luồng dữ liệu từ mạng Internet và mạng PSTN được kết hợp qua một thiết bị gọi là IDU (Indoor Unit) Thiết bị này có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của Internet và PSTN vào một dạng chung để xử lí Cụ thể, nó chuyển tất cả sang dạng gói IP.
Với mô hình này, có thể cung cấp dịch vụ cho nhiều loại thuê bao khác nhau.
Nó đặc biệt hữu dụng với các thuê bao ở những vùng ngoại ô, nông thôn, những nơi mà các dịch vụ như DSL, CableModem… rất khó tới được.
6.2.2 Mô hình ứng dụng cho mạng backhaul
Mạng backhaul không phải là mạng cung cấp dịch vụ cho người dùng cuối, nó là mạng trung gian từ mạng lõi đến mạng truy nhập Giải pháp cho mạng này thường là sử dụng các công nghệ cáp truyền thống có dung lượng cao như NxT1,NxE1… hoặc cáp quang
Mạng backhaul có một số hạn chế Nếu mạng backhaul sử dụng cáp, nó sẽ không khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất định Như triển khai ở các vùng dân cư thưa thớt, những nơi thuê bao ít,…mà việc đầu tư các tuyến cáp là hết sức tốn kém Wimax cũng sẽ cung cấp giải pháp thay thế cho mạng phân tán truyền thống
Các nhà cung cấp dịch vụ thường phải thuê các tuyến cáp để nối vào mạng trục, giá thành thường là rất đắt Nếu sử dụng Wimax thay vì thuê, nhà cung cấp dịch vụ sẽ tiết kiệm được rất nhiều chi phí
Hình 6-49: Mô hình ứng dụng cho mạng backhaul
Như hình trên cho thấy, người ta sử dụng hai trạm gốc để truyền lưu lượng trên mạng backhaul Giải pháp này đã giúp cho rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ, họ có thể trực tiếp xây dựng một mạng backhaul riêng cho mình.
6.2.3 Mô hình kết hợp với WiFi
Mô hình kết hợp giữa Wimax và WiFi được coi là một mô hình không dây toàn diện cho phép cung cấp một vùng dịch vụ rộng lớn.
Trước khi có Wimax, việc triển khai WiFi tại các điểm hotspot gặp phải một số nhược điểm sau. Để cung cấp dịch vụ WiFi người ta phải kéo một đường cáp từ trung tâm tới các điểm AP, việc này tốn kém và không thuận lợi vì không hẳn nơi nào cũng có thế kéo cáp đến được.
Các điểm truy cấp WiFi, vùng dịch vụ của nó là cố định, tức việc di chuyển vùng dịch vụ WiFi là không thể Chỗ nào muốn cung cấp dịch vụ WiFi, bắt buộc phải kéo cáp, dựng lên một cái AP, bất kể là cố định hay tạm thời.
Wimax kết hợp với WiFi tạo ra một sự linh hoạt trong việc cung cấp dịch vụ không dây, khắc phục các hạn chế khi chỉ sử dụng WiFi
Hình 6-50: Mô hình kết hợp giữa Wimax và WiFi