Đồ Án Tốt Nghiệp - Nghiên Cứu Về Công Nghệ WIMAX

Đồ án báo cáo Đề tài : nghiên cứu về công nghệ WIMAX Đây là đồ án báo cáo chi tiết trong quá trình học ĐH,được đánh giá chất lượng rất cao,được biên soạn nghiên cứu từ các tài liệu chuyên ngành,thực tế thực tập,… .được chắt lọc từ các tài liệu công nghệ kỹ thuật mới nhất.Đây là tài liệu thực sự bổ ích cho các bạn trẻ giúp các bạn sinh viên đạt kết quả cao khi bảo vệ đồ án,báo cáo,luận văn của mình,trinh phục tương lai của mình .Chúc các bạn thành công

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LỜI MỞ ĐẦU

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

tụ, tốc độ dữ liệu cao, hỗ trợ nhiều mức chất lượng dịch vụ (QoS) đi đôi với khả năng di động bên trong mạng hoặc giữa các mạng sử dụng các công nghệ khác nhau và giữa các nhà cung cấp dịch vụ với nhau Một khía cạnh quan trọng trong

xu hướng phát triển đó là việc chuẩn hóa, cho phép xây dựng kiểu mạng độc lập với thiết bị và khả năng tương tác giữa các kiểu mạng khác nhau ở mức cao Một công nghệ đang được phát triển đáp ứng được những đặc tính kể trên, được chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)

đó là công nghệ IEEE 802.16, thường được gọi là công nghệ WiMAX

Đồ án này tập trung vào việc nghiên cứu lớp Điều khiển truy nhập môi trường MAC trong công nghệ WIMAX Đồ án sẽ trình bày những vấn đề cơ bản nhất

về công nghệ WiMAX như các chuẩn WiMAX, các kỹ thuật được ứng dụng trong WiMAX, mô hình phân lớp và bảo mật trong WiMAX

Đồ án bao gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung và cấu trúc mạng truy cập WiMAX

Chương 2: Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ WiMAX, So sánh công nghệ WiMAX với công nghệ 3GLTE

Chương I: GiỚI THIỆU CHUNG VÀ CẤU TRÚC MẠNG TRUY CẬP

WIMAX

1.1 CẤU TRÚC MẠNG WIMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Họ 802.16 này đưa ra những tiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm về giao diện

vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY)

- WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động

- WiMAX được thiết kế nhằm mục đích bổ sung vào các công nghệ truy cập không dây hiện tại với ưu điểm tốc độ dữ liệu cao, hỗ trợ QoS linh hoạt, phạm vi phủ sóng rộng và chi phí triển khai thấp trong phạm vi vùng đô thị MAN (Metropolian Access Network)

- WiMAX là một công nghệ cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và đường dây thuê bao số DSL WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể di động nhưng cố định trong lúc kết nối), portable (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ chậm) và cuối cùng là di động mà không cần ở trong tầm nhìn thẳng LOS (Line-Of-Sight) trực tiếp với trạm gốc BS (Base Station)

1.2 CẤU TRÚC MẠNG WIMAX

Cấu trúc của mạng WiMAX bao gồm mô hình tham chiếu, các phân lớp MAC (Media

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

-Hình 1.1 minh họa mô hình tham chiếu và phạm vi của chuẩn Trong mô hình tham chiếu

này, lớp PHY tương ứng với lớp 1 (lớp vật lý) và lớp MAC tương ứng với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) trong mô hình OSI

Hình 1.1 Mô hình tham chiếu

Hình 1 2 Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16

Tại trạm thu, phần cứng WiMAX tiếp nhận dữ liệu từ các lớp cao Hình 1.3 mô tả hướng

di chuyển của luồng dữ liệu qua các lớp Mỗi lớp sẽ thực hiện encapsulation (đóng gói)

dữ liệu nhận được từ các lớp trên Tại lớp thấp nhất, dữ liệu được truyền dưới dạng bit qua môi trường truyền đến nơi nhận Tại trạm thu, dữ liệu sẽ được decapsulation (mở gói) để lấy các thông tin cần thiết và các thông tin này được gửi lên các lớp cao hơn

Hình 1.3 Luồng dữ liệu qua

các lớp

Giữa lớp con phần chung MAC và lớp con bảo mật không định nghĩa điểm truy nhập dịch vụ Các packet từ lớp con phần chung MAC không được encapsulation tại lớp con bảo mật Phần tiêu đề lớp con phần chung MAC sẽ biểu thị thông tin mã hóa payload Quá trình mã hóa payload được thực hiện tại lớp con bảo mật.

1.3 LỚP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG (MAC)

- Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động độc lập với lớp vật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến Phần chủ yếu của lớp MAC tập trung vào :+ Quản lý tài nguyên trên airlink (liên kết vô tuyến)

+ Giải quyết được bài toán yêu cầu tốc độ dữ liệu cao trên cả hai kênh downlink và

uplink

+ Các cơ chế điều khiển truy cập và thuật toán cấp phát băng thông hiệu quả có khả

năng đáp ứng cho hàng trăm đầu cuối trên mỗi kênh

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

mạng, mỗi SS sẽ tạo một hoặc nhiều kết nối để truyền tải dữ liệu trên cả hai hướng (downlink và uplink)

Ngoài ra, lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 còn cung cấp lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ hỗ trợ lớp mạng tế bào ATM (Asynchronous Transfer Mode) và lớp mạng gói (Packet)

- Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 bao gồm 3 lớp con

+ Lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ (Service-specific Convergency Sublayer – CS)

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

+ Lớp con bảo mật

1.3.1 Lớp con hội tụ MAC

Lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ tiếp nhận các gói dữ liệu từ các lớp cao thông qua các điểm truy nhập dịch vụ lớp con hội tụ CS SAP (CS Service Access Point)

Ngoài ra, lớp con hội tụ còn thực hiện các chức năng phức tạp khác như PHS (Payload Header Suppression) và Reconstruction nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên

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

Lớp con hội tụ ATM dành cho các dịch vụ ATM

Lớp con hội tụ packet: được định nghĩa cho việc ánh xạ các dịch vụ gói như IPv4 hoặc IPv6, Ethernet và VLAN (Virtual Local Area Network)

Ba đặc tả Packet CS:

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

IEEE Std 802.3/Ethernet: Sử dụng để chuyển tải các frame 802.3 Ethernet qua mạng 802.16.IEEE Std 802.1Q-1998 VLAN: Sử dụng để chuyển tải các frame 802.1Q VLAN tagged qua mạng 802.16

1.3.2 Lớp con phần chung MAC

Lớp con phần chung MAC (CPS) hỗ trợ kiến trúc Point-to-Multipoint Một trạm gốc BS (Base Station) có thể gửi thông tin đến các trạm thuê bao SS (Subcrible Station) và nhận thông tin từ các SS

BS định nghĩa hai đơn vị uplink-MAP (UL-MAP) và downlink-MAP (DL-MAP) chứa thông tin mô tả kênh được phân chia thành các khe thời gian

BS và SS liên lạc với nhau qua các liên kết được đặc trưng bởi giá trị CID được gán trong quá trình thiết lập liên kết Một SS có thể sử dụng nhiều kết nối Các kết nối có thể là unicast (một BS và một SS sử dụng kết nối) hoặc ở dạng multicast (một BS và một số SS sử dụng chung một kết nối)

Các định dạng MAC PDU

MAC-BS và MAC-MS trao đổi các bản tin, và các bản tin này được xem như các PDU, một PDU có chiều dài tối đa là 2048 byte

Hình 1.4 Định dạng MAC PDU

+ Tiêu đề MAC chiều dài cố định là 6 byte, payload chiều dài thay đổi và phần kiểm tra

lỗi dư vòng CRC (Cyclic Redundancy Check)

+ Ngoại trừ các PDU yêu cầu dải thông (không có payload), các MAC PDU có thể chứa

hoặc các bản tin quản lý MAC hoặc dữ liệu lớp con hội tụ - MAC SDU Payload là tùy

chọn, CRC cũng tùy chọn và chỉ được sử dụng nếu MS yêu cầu trong các tham số QoS

Định dạng tiêu đề MAC chung.

Hình 1.5 Định dạng của tiêu đề

MAC PDU chung

Trên hình 1.5, minh họa định dạng của

một tiêu đề MAC chung Ý nghĩa các

trường được giải thích trong bảng

Bảng 1.1 Các trường tiêu đề MAC chung

EC 1 Điều khiển mã hóa

0 = Payload không được mã hóa

1 = Payload được mã hóa

ESK 2 Tuần tự khóa mã hóa

Chỉ số của khóa mã hóa lưu lượng (TEK) và vector khởi tạo được sử dụng để

mã hóa payload Trường này chỉ có ý nghĩa khi trường EC được thiết lập là 1.

HCS 8 Tuần tự kiểm tra tiêu đề

Một trường 8 bit được sử dụng để phát hiện các lỗi trong tiêu đề Bên phát sẽ tính toán giá trị HCS cho 5 byte đầu tiên của tiêu đề, chèn kết quả vào trường HCS (byte cuối cùng của tiêu đề MAC).

HT 1 Loại tiêu đề Được thiết lập là 0.

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

và CRC nếu có.

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

bản tin.

Định dạng tiêu đề MAC yêu cầu dải thông.

PDU yêu cầu dải thông chỉ chứa tiêu đề yêu cầu dải thông và sẽ không chứa payload Trên hình 1.6, minh họa định dạng của một tiêu đề MAC chung, ý nghĩa các trường được giải thích trong bảng trong bảng 1.2

Hình 1.6 Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông

Bảng 3.2 Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông

Tên Chiều Dài( bit) Mô tả

HT 1 Loại tiêu đề Được thiết lập là 0.

CI 1 Chỉ thị CRC

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

0 = Không chứa CRC.

EC 1 Điều khiển mã hóa

0 = Payload không được mã hóa

1 = Payload được mã hóa TYPE 3 Trường này chỉ ra các loại tiêu đề con và payload đặc biệt có mặt trong

Một trường 8 bit được sử dụng để phát hiện các lỗi trong tiêu đề Bên phát sẽ tính toán giá trị HCS cho 5 byte đầu tiên của tiêu đề, chèn kết quả vào trường HCS (byte cuối cùng của tiêu đề MAC).

1.3.3 Lớp con bảo mật

Toàn bộ bảo mật của 802.16 dựa vào lớp con bảo mật Lớp con bảo mật là lớp con giữa MAC CPS và lớp vật lý Mục tiêu của nó là để cung cấp điều khiển truy nhập và sự cẩn mật của liên kết dữ liệu, chụi trách nhiệm mã hóa và giải mã dữ liệu mà đưa đến và đi ra khỏi lớp vật lý PHY và cũng được sử dụng cho cấp phép và trao đổi khóa bảo mật, Ngăn chặn đánh cắp dịch vụ

Bảo mật của 802.16 gồm các thành phần sau: các tập hợp bảo mật (SA), chứng nhận X.509, giao thức cấp phép quản lý khóa riêng tư (authorization PKM), quản lý khóa và riêng tư (PKM) và mã hóa dữ liệu

1.4 LỚP VẬT LÝ

Lớp vật lý cung cấp kết nối vô tuyến giữa BS và SS Chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các kỹ thuật khác nhau để truyền thông tin qua môi trường vô tuyến

Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ 2 băng tần: băng tần 10-66 GHz và 2-11 GHz

Băng tần 10-66 GHz hỗ trợ cho các môi trường truyền dẫn yêu cầu tầm nhìn thẳng LOS, không có vật cản giữa trạm phát và trạm thu Đặc tả giao tiếp không gian (air interface) tại băng tần 10-66 Ghz được gọi là WirelessMAN-SC, sử dụng phương thức truy cập TDMA (Time Division Multiplexing Access) cho hướng truyền uplink và phương thức truy cập TDM (Time Division Multiplexing) cho hướng truyền downlink

Băng tần 2-11 GHz (cấp phép và không cấp phép) hỗ trợ môi trường truyền dẫn không có tầm nhìn thẳng NLOS, tín hiệu có thể truyền qua các vật cản theo nhiều cách khác nhau

Có 5 đặc tả lớp vật lý chuẩn IEEE 802.16 được mô tả trong bảng bên dưới

Bảng 1.4 Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16

Lớp vật lý chuẩn IEEE 802.16 sử dụng phương pháp điều chế OFDM, băng tần được chia thành nhiều sóng mang con trực giao với nhau nhằm đạt được thông lượng dữ liệu và khoảng cách truyền tối đa, chống nhiễu hiệu quả

Ngoài ra, lớp vật lý còn cung cấp một số phương thức điều chế nhiều mức như BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM…cho phép truyền nhiều đơn vị thông tin trên một đơn vị thời gian

Lớp vật lý hỗ trợ cả 2 phương thức truyền song công : song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex) và song công phân chia theo tần số FDD (Frequency

Division Duplex)

CHƯƠNG 2:ƯU ĐiỂM VÀ NHƯỢC ĐiỂM CỦA CÔNG NGHỆ WIMAX

1: Ưu điểm công nghệ WiMAX

WiMAX là một công nghệ cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và đường dây thuê bao số DSL WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể di động nhưng cố định trong lúc kết nối), portable (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ chậm) và cuối cùng là di động mà không cần ở trong tầm nhìn thẳng LOS (Line-Of-Sight) trực tiếp với trạm gốc

BS (Base Station) WiMAX khắc phục được các nhược điểm của các phương pháp truy nhập hiện tại, cung cấp một phương tiện truy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền có tốc độ lên đến 70Mbit/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50Km

Mô hình phủ sóng của mạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạnh đó, WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng Mỗi khi máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất

WiMAX đã được phát triển và khắc phục được những nhược điểm của các công nghệ truy cập băng rộng trước đây, cụ thể:

+ Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa điểm, công nghệ lưới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi Điều khiển truy nhập môi trường – MAC, phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động (MS) Nếu có duy nhất một MS trong mạng, trạm gốc (BS) sẽ liên lạc với MS trên cơ sở điểm – điểm Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn.+ Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu

lượng sẽ được mang Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS),

nỗ lực tốt nhất (BE)

+Triển khai nhanh, chi phí thấp: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu Ngoài ra, dựa trên các chuẩn mở của WiMAX,

sẽ không có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫn đến việc cạnh tranh của nhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ thống giảm đáng kể

+ Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau

sử dụng cùng MS Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực đô thị

và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị

số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng rộng rất thách thức

+ Tính tương thích: WiMAX được xây dựng để trở thành một chuẩn quốc tế, tạo ra sự

dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị

+ Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng di động Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động Những cải tiến này, bao gồm OFDMA mở rộng được, MIMO

(Multi In Multi Out - nhiều đầu vào nhiều đầu ra), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep

và handoff, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h Mạng

WiMAX di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng

thông rộng tại bất cứ đâu có phủ sóng WiMAX

+ Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS