MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MẠNG WIMAX -2-+++++++++++++tttrrrrrrrre 6
1.1 Công nghệ băng rộng không dây 6
1.1.1 Thế nào là băng rộng không dây 1.1.2 Lợi ích của băng rộng không dây
1.2 Giới thiệu về WiMAX
1.2.1 Định nghĩa WiMAX
1.2.2 Đặc điểm của công nghệ WiMAX
1.2.3 Bang tan cla WiMAX
1.2.4 Giới thiệu các chuẩn liên quan 1.2.4.1 Chuẩn 802.16-2001 1.2.4.2 Chuẩn 802.16a-2003 1.2.4.3 Chuẩn 802.16c- 2002 1.2.4.4 Chuẩn 802.16-2004 1.2.4.5 Chuẩn 802.16e và sự mở rộng
1.3 So sinh WiMAX với các công nghệ không dây khác
1.4 Mô hình triển khai
1.4.1 Mạng trục
1.4.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệ 1.4.3 Băng rộng theo nhu cầu 1.4.4 Mở rộng nhanh chóng, tiết 1.4.5 Liên thông dich vụ CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG WIMAX 2.1 Lớp vật lý ve 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Xây dựng khung 2.1.3 Mô hình hoạt động FD 2.1.4 Mô hình hoạt động TDD
2.1.5 Lớp vật lý hướng xuống (Downlink PHY) 2.1.6 Lớp vật lý hướng lên (Uplink PHY)
2.1.7 Kiểm soát lỗi . 5+
2.1.8 Tốc độ baud và độ rộng băng thông
2.1.9 Kiểm sốt hệ thống vơ tuyến 2.1.9.1 Kỹ thuật đồng bộ 2.1.9.2 Kiểm soát tần số 2.1.9.3 Điều khiển công suất 2.1.10 Lớp con hội tụ truyền dẫn 2.2 Lớp MAC
2.2.1 Vấn đề về công nghệ
2.2.2 Lớp con hội tụ chuyên biệ 2.2.2.1 Lớp con hội ATM
Trang 22.2.2.1.2 Sự phân lớp
2.2.2.1.3 Chan mao dau tai tin (PHS payload header suppression)
2.2.2.1.4 Thủ tục báo hiệu
2.2.2.2 Lớp con hội tụ gói
2.2.2.2.1 Dang MAC SDU 2.2.2.2.2 Sự phân lớp
2.2.2.2.3 Chặn mào đầu tải tin
2.2.2.2.4 Quá trình chặn mào đầu tải tin 2.2.3 Lớp con phan chung (common part sublayer) 2.2.3.1 MAC PDU 2.2.3.2 Hỗ trợ lớp vật lý và cấu trúc khung 2.2.3.3 Điều khiển tuyến vô tuyến (Radio link Control) 2.2.3.4 Polling cc«c+c+ecxe 2.2.3.5 Dịch vụ lập lịch trình hướng lên 2.2.3.6 Cấp phát và yêu cầu băng thông 2.2.3.7 Thu nhận kênh 2.2.3.8 Thiết lập kết nối 2.2.3.9 Quyết định cạnh tranh
2.2.3.9.1 Cơ hội truyền dẫn
2.2.3.10 Gia nhập mạng và khởi tạo 2.2.3.10.1 Quét tần số và đồng bộ
2.2.3.10.2 Tách các thông số của kênh uplink/down 2.2.3.10.3 Ranging va dam phan vé kha nang 2.2.3.10.4 SS xác thực, trao quyền và đăng ký
2.2.3.10.5 Kết nối IP
2.2.4 Lớp con bảo mật "
2.2.4.1 Security Association (SA)
2.2.4.2 Giao thức PKM
2.2.4.2.1 Thiết lập khoá trao quyền
2.2.4.2.2 Trao đổi khoá TEK 2.2.4.3 Vấn đề sử dụng khóa 2.2.4.3.1 Khoá AK 2.2.4.3.2 Khoa TEK 2.2.4.4 Phương pháp bảo mật
CHƯƠNG 3: VẤN ĐỀ AN NINH MẠNG WIMAX
3.1 Khái niệm an ninh mạng 3.1.1 Các vấn đề về an ninh mạng 3.1.2 Các cuộc tấn công an ninh 3.2 Phân tích an ninh mạng WiMAX
3.2.1 Những điểm yếu về mặt giao thức
3.2.1.1 Thiếu sự xác thực hai chiều
3.2.1.2 Lỗi trong quản lý khóa
Trang 33.2.2 So sánh một số nhược điểm an ninh trong mạng WiFi và WiMAX 3.2.2.1 Cuộc tấn công hủy bỏ xác thực (Deauthentication Attack) 3.2.2.2 Cuộc tấn công lặp lại (Replay attack)
3.2.2.3 Giả mạo điểm truy nhập (Access Point Spoof) 3.2.2.4 Cuộc tấn công vào cơ chế sóng mang lớp vật lý 3.2.2.5 Giả mạo địa chỉ MAC (MAC Address Spoofing)
3.2.3 Những điểm yếu mới trong mạng WïMAX
3.2.3.1 Nền tảng công nghệ của các cuộc tấn công
3.2.3.2 Lớp MAC -ccccccsrerererereree
3.2.3.3 Các cuộc tấn công tiềm ẩn trong mạng 802.16
3.2.3.3.1 Cuộc tấn công sử dụng thông điệp RNG-RSP - 5s ssscsxsx 3.2.3.3.2 Cuộc tấn công vào thông điệp thông báo quyền không hợp lệ
3.3 Những cải tiến mới về an ninh trong mạng WïMAX 3.3.1 Giao thức PKM v2
3.3.1.1 Xác thực hai chiều dựa trên public- key 3.3.1.1.1 Thông điệp yêu cầu trao quyền (thông điệp 2 3.3.1.1.2 Thông điệp đáp lại trao quyền (thông điệp 3)
3.3.1.1.3 Thông điệp xác nhận trao quyền -‹-
3.3.1.2 Trao quyền lẫn nhau dựa trên EAP trong PKM v2
3.3.1.2.1 Quá trình xác thực dựa trên EAP 3.3.1.2.2 Quá trình trao đổi 3 bước giữa SS và BS 3.3.1.3 Phân cấp khóa .- 5s «xxx 3.3.2 Sử dụng mơ hình CCM cho 802.16 MPDUS 3.3.2.1 Xây dựng nonce
CHƯƠNG 4 KẾT NỐI WIMAX VỚI MẠNG DI ĐỘNG
4.1 Lời giới thiệu 4.2 Mạng liên kết WiMAX 3GPP 4.2.1 Mô hình kết nối WiMAX trong 3GPP 4.2.1.1 Mô hình tight-coupling 5.2.1.2 Mô hình mạng loose-coupling 4.2.1.3 Mạng non-roaming WiMAX- 3GPP 4.2.1.4 Mạng roaming WiMAX- 3GPP 4.2.1.5 Một số yêu cầu khi kết nối WiMAX- 3GPP
4.2.1.5.1 Yêu cầu về WiMAX AAA server và các giao thức AAA 4.2.1.5.2 Yêu cầu về điều khiển truy nhập
4.2.1.5.3 Yêu cầu về tính cước
Trang 44.2.2.1.6 Cổng dữ liệu gói PDG 4.2.2.1.6 Cổng biên Border Gateway 4.2.2.2 Các giao diện mạng 4.2.2.2.1 Giao diện Wa, 4.2.2.2.2 Giao diện Wx 4.2.2.2.3 Giao diện D”/Gr 4.2.2.2.4 Giao diện Wo 4.2.2.2.5 Giao diện WF 4.2.2.2.6 Giao diện Wg 4.2.2.2.7 Giao diện Wn 4.2.2.2.8 Giao diện Wm 4.2.2.2.9 Giao diện Wp 4.2.2.2.10 Giao diện Wd 4.3 Liên kết mạng giữa WiMAX và UMTS 4.3.1 Các mạng liên quan 119 5.3.1.1 Cấu trúc mạng WiMAX 5.3.1.2 Cấu trúc mạng UMTS 4.3.2 Kiến trúc liên mạng WiMAX- UMTS 4.3.2.1 Mô tả kiến trúc 4.3.2.2 Quản lý IP 4.3.4 Thủ tục chuyển giao
4.3.4.1 Chuyển giao từ mạng truy nhậ “ 4.3.4.2 Chuyển giao từ ƯTRAN tới mạng truy nhập WiMAX 4.4 Kết luận
THUẬT NGỮ VIẾT TẮTT - -+2+++22+++++22227E7112111222211222121771111112e.ci.rrrrrrr 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22-22 ©+2©E+Et€E+E£EEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEvrkkrrrrrerrrkrree Bảng 1.1: Đặc điểm các chuẩn 802.16 Bảng 1.2: Đặc điểm của một số công nghệ không dây Bảng 2.1: Mô tả các dạng thiết kế lớp vật lý Bảng 2.2: Độ dài khung vật lý
Bang 2.3: Tốc độ baud và độ rộng kênh
Bảng 2.4: Các trường trong phần mào đầu chung GH
Bảng 2.5: Các trường trong phần mào đầu yêu cầu băng thông : Bang 3.1: Dạng thông điệp RNG-RSP „88 Bảng 3.2: Các mã trong thông điệp RNG-RSP
Bảng 3.3: Dạng thông điệp PKM
Bảng 3.4: Mã thông điệp PKM
Trang 5HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình băng rộng không dây Hình 1.2: Mô hình mạng WiMAX Hình 1.3: Đặc điểm công nghệ WiMAX Hình 1.4: Sự phát triển các chuẩn 802.16 Hình 1.5 Mô hình triển khai WiMAX
Hình 2.1: Cấu trúc giao thức mang WiMAX
Hình 2.2: Tổng quan về chức năng lớp vật lý ở trạm phát sóng Hình 2.3: Cấu trúc khung TDD
Hình 2.4: Cấu trúc khung con hướng xuống Hình 2.5: Cấu trúc khung con hướng xuống FDD Hình 2.6: Cấu trúc khung con hướng lên
Hình 2.7: Sơ đồ khối chức năng lớp MAC
Hình 2.8: Dạng PDU của lớp hội tụ con ATM
Hình 2.9: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch đường Hình 2.10: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch kênh
Hình 2.11: Dạng MAC SDU Hình 2.12: MAC PDU
Hình 2.13: Cấu trúc khung phân mào đâu chung của MAC PDU Hình 2.14: Cấu trúc khung phân mào đầu yêu cầu băng thông
Hình 2.15: Xây dựng MAC PDU
Hình 2.16: Mô tả PDU và SDU trong ngăn giao thức Hình 2.17: Sử dụng bit poll- me Hình 2.18: Ví dụ cơ hội truyền dẫn trong thông điệp yêu cầu băng thông Hình 2.19: Giao thức PKM Hình 2.20: Quá trình mã hóa bảo mật trong 802 16 Hình 3.1: Dạng tấn công thụ động Hình 3.2: Dạng tấn công chủ động Hinh 3.3: Dang tan cong man in the middle
Hình 3.4: Tấn công bằng thông điệp RES-CMD
Hình 3.5: Vị trí có thể tấn công trong cấu trúc khung TDD Hình 3.6: Quá trình tấn công bằng thông điệp RNG-RSP
Hình 3.7: Phân tải tin WMAN CCM
Hình 3.8: Xây dựng block B, trong 802.16 Hình 3.9: Xây dung block A;trong 802.16
Hình 4.1: Mô hình kết nối loose-coupling và tight-coupling giữa WiMAX và 3GPP Hình 4.2: Kiến trúc mạng non- roaming WiMAX-3GPP
Hình 4.3: Kiến trúc mạng roaming WiMAX-3GPP Hình 4.4: Kiến trúc mang WiMAX
Hình 4.5: Kiến trúc mạng UMTS
Hình 4.6: Kiến trúc liên mạng WiMAX-UMTS
Hình 4.7: Thủ tục chuyển giao từ WïiMAX sang UMTS
Trang 6CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MẠNG WIMAX
1.1 Công nghệ băng rộng không dây
1.1.1 Thế nào là băng rộng không dây
Băng rộng không dây là một công nghệ hứa hẹn những kết nối tốc độ cao trong không trung Nó sử dụng sóng radio để truyền và nhận dữ liệu trực tiếp tới và từ những người dùng bất cứ khi nào họ muốn Các công nghệ như 3G, WIEi, hay WiMAX và UWB sẽ làm việc cùng nhau để đáp ứng nhu cầu duy nhất này của khách hàng Truy nhập không dây băng rộng (BWA) là hệ thống điểm đa điểm được tạo nên từ các trạm phát sóng cơ sở và các thiết bị của khác hàng như hình 1.1 Hình này chỉ ra một trạm phát sóng cơ sở được kết nối với mạng đường trục (backbone) Thay vì sử dụng các kết nối vật lý giữa các trạm cơ sở và các thuê bao, các trạm phát sóng cơ sở sử dụng anten ngoài trời để nhận và gửi dữ liệu, thoại tốc độ cao tới các thuê bao Công nghệ này giảm được những yêu cầu về cơ sở hạ tầng hữu tuyến đồng thời cung cấp những giải pháp mềm dẻo và hiệu quả cho những chặng cuối
Internet / PSTN
Trang 7
1.1.2 Lợi ích của băng rộng không dây
e _ Băng rộng hứa hẹn các dịch vụ thoại đữ liệu và truyền hình tốc độ cao
e BWA có thời gian triển khai nhanh chóng, tốn ít chi phí hơn các phương pháp truyền thống, không cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng hữu tuyến tốn kém
e Nó đưa ra những kết nối ở những chặng cuối, mà DSL hay băng rộng hữu tuyến không thể đạt tới
e_ Thời gian triển khai nhanh hơn, dễ dàng mở rộng hơn, mềm dẻo hơn do vậy nó đem lại những dịch vụ thay thế cho những khách hàng vốn không thỏa mãn với các dịch vụ băng rộng hữu tuyến
e Nó vượt qua sự thực thi và độ tin cậy của các mạng hữu tuyến với
đường dây thuê riêng
e_ Tạo ra một môi trường cạnh tranh cho sự phát triển các dịch vụ và các sản phẩm mới Các đặc tính của BWA sẽ thu hút các công ty các nhà đầu tư vào ngành công nghiệp băng rộng không dây
1.2 Giới thiệu về WiMAX 1.2.1 Định nghĩa WiMAX
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) hay IEEE 802.16 - wireless microwave access - truy cap vo tuyén sóng cực ngắn), tiêu chuẩn kỹ thuật này sinh ra từ dòng 802.xx ngày một phát triển của IEEE
(Institute of Electrical and Electronics Engineers)
Trang 8pháp truy nhập băng rộng ở những chặng cuối thay thế cho DSL và cáp Chuẩn 'WMAN sẽ hỗ trợ các dịch vụ truy nhập không dây băng rộng tới các tòa nhà, chủ yếu thông qua các anten ngoài trời tới các trạm phát sóng cơ sở
Phạm vi có thể lên tới 50 km và cho phép người sử dụng đạt được kết nối băng rộng mà không cân tâm nhìn thẳng tới các trạm phát sóng
The IEEE 802.16 Working Group đang phát triển các chuẩn truy nhập băng rộng không dây cho hệ thống ở băng tần 10- 66 GHz và dưới 11 GHz Chuẩn này tập trung vào lớp MAC và lớp vật lý
Trang 91.2.2 Đặc điểm cia cong nghé WiMAX
Hinh 1.3: Dac diém cong nghé WiMAX
* Kiến trúc mềm đẻo: WiMAX có một vài kiến trúc như Point to Point
dành cho backhaul, Point to Multipoint cho BS (base station) dén SS (subscriber)
Nếu chỉ có một SS trong mạng WiMAX thì BS sẽ giao tiếp với SS trên nên tảng Point to Point Các trạm BS trong mô hình Point to Point có thể dùng một anten
với độ định hướng cao để đạt được khoảng cách lớn hơn
* An ninh manh: WiMAX hé tro AES (advanced Encryption Standard) va
Trang 10* Cung cấp QoS: WiMAX cung cấp QoS trên từng kết nối đáp ứng tất cả các dịch vụ nhạy cảm với trễ như thoại, truyền hình và các dịch vụ đa phương
tiện
* Sự triển khai nhanh chóng: So với sự triển khai mạng hữu tuyến thì
'WiMAX có thể được triển khai nhanh hơn rất nhiều Chỉ với một anten và thiết bi cài đặt được cung cấp nguồn là WiMAX sẵn sàng phục vụ các dịch vụ Trong nhiều trường hợp sự triển khai WiMAX có thể được tính bằng giờ so với hàng tháng đối với các giải pháp khác
* Cung cấp dịch vụ nhiều mức (multi_level service): V6i viéc dap tng
các mức độ QoS khác nhau dựa trên thoả thuận về mức dịch vụ SLA (giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng của mạng WiMAX Ngoài ra WiMAX còn cho phép một nhà cung cấp dịch vụ có thể đưa ra các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau hoặc thậm chí tới những người sử dụng khác nhau trên cùng một SS
* Khả năng hoạt động cùng các thiết bị khác( Interoperability) WIMAX là một công nghệ phát triển sau này nên cần phải đảm bảo khả năng tương thích với các thiết bị trước đó để có thể được thị trường chấp nhận
* Khả năng di động (Porfability): Giống như hệ thống cellular một W¡iMAX SS được bật lên tự nó sẽ xác định mình và quyết định các đặc tính
đường truyền tới BS Ngay khi SS được đăng ký trong cơ sở dữ liệu của hệ thống, nó sẽ thoả thuận về đặc tính đường truyền
* Khả năng di dộng hoàn toàn (Mobility): Chuẩn TEEE 802.16 sửa đổi được thêm đặc tính quan trọng là hỗ trợ di động Để đáp ứng khả năng di động lớp vật lý dùng OFDM và OFDMA được nâng cấp đáng kể Sự cải thiện này bao gồm Scaleable OFDM, MIMO (multi input- multi output) va hé trợ dạng Tdle/sleep và handoff cho phép sự di động ở tốc độ lên tới 160 km/h
*Phạm vỉ phủ sóng rộng khắp: WïMAX hỗ trợ nhiều mức điều chế bao
gồm BPSK, QPSK, 16_QAM, 64_QAM Khi hoạt động với bộ khuếch đại công
Trang 11* Hoạt động trong đường truyền NLOS: WiMAX dựa trên công nghệ
OFDM có khả năng xử lý trong môi trường NLOS (non light of sight) mà các sản phẩm khác không thể
1.2.3 Băng tần của WiMAX
802.16 cho phép nhiều lớp vật lý do đó nó có thể hoạt động trong băng tần rong tit 2GHz dén 66 GHz Vì sóng điện từ không thể lan truyền trong phạm vi rộng như vậy, nên chuần 802.16 chia phạm vi tần số này thành các băng tần khác nhau, mỗi băng tần dùng một lớp vật lý riêng Có 3 dạng băng tần chính:
* 10-66 GHz (licensed band): Truyén dan trong băng tần này yêu cầu đường truyền LOS giữa BS và SS Vì thực tế là trong phạm vi tần số này bước sóng ngắn do đó phải đảm bảo cân bằng sự ảnh hưởng của suy hao do đặc điểm địa hình hay do giao thoa Tuy nhiên ưu điểm của băng tần này là có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao
* 2-11 GHz (licensed band): Truyền dẫn trong băng tần này không yêu cầu đường truyền LOS, tuy nhiên nếu không có đường truyền LOS thì công suất tín hiệu có thể rất khác nhau giữa BS và SS
* 2-11 GHz (unlicensed band): Ö đây đặc tính của băng tần 2-11GHz không cần cấp phép gần giống như băng tần được cấp phép 2-11 Ghz Tuy nhiên vì chúng là băng tần không cần cấp phép nên không có sự đảm bảo rằng sẽ không xảy ra sự giao thoa bởi các hệ thống khác hay người dùng khác dùng cùng một băng tần
1.2.4 Giới thiệu các chuẩn liên quan 1.2.4.1 Chuẩn 802.16-2001
Chuẩn WiMAX đầu tiên là chuẩn 802.16 - 2001 được phê chuẩn vào tháng 12 năm 2001, chuẩn này hỗ trợ ứng dụng truy nhập không dây băng rộng cố định trong mô hình điểm - điểm và điểm - đa điểm
Trang 12và phép kênh phân chia theo tần số (FDD) Các sơ đồ điều chế được sử dụng là QPSK, 16QAM va 64 QAM Khả năng thay đổi phương pháp điều chế và phương pháp sửa lỗi trước cho phép mạng thích nghi được với sự bất thường của thời tiết do đó đáp ứng được chất lượng dịch vụ cho người sử dụng
Các trạm phát sóng BS tạo ra các ánh xạ (Map) kênh hướng lên và kênh hướng xuống sau đó sẽ chia sẻ nó tới các nút trong mạng Các ánh xạ này bao
gồm số lần truyền phát, khoảng thời gian và phương pháp điều chế Theo cách này vấn đề về nút ẩn có thể bị loại bỏ Các thuê bao lúc này chỉ tập trung vào một trạm phát sóng BS mà chúng không cần phải lắng nghe bất kỳ một nút nào khác trong mạng Cũng nhờ thuật tốn này mạng khơng bao giờ bị quá tải hay hay số thuê bao tăng lên đột ngột
Các thuê bao có thể thỏa thuận về dải tần được cấp phát từ burst này đến burst (burst to burst) khác đồng thời cung cấp lịch trình truy nhập mềm dẻo Nhu đã nói ở trên các sơ đồ điều chế được sử dụng gồm: QPSK, 16 QAM và 64QAM, tuy nhiên các thuê bao khác nhau hoàn toàn có thể sử dụng các sơ đồ điều chế khác nhau, và các khung khác nhau cũng có thể sử dụng sơ đồ điều chế khác nhau Các sơ đồ điều chế được lựa chọn phải đáp ứng được các mục đích cuối cùng là đảm bảo sự kết nối ổn định và chất lượng của kết nối
Một đặc tính rất quan trọng của 802.16-2001 là khả năng cung cấp chất
lượng dịch vụ (QoS) khác nhau ở lớp vật lý Một mã nhận dạng lưu lượng dịch vụ
(Service Flow ID) sẽ thực hiện kiểm tra QoS Các dòng lưu lượng dịch vụ này được mô tả bởi các thông số QoS như thời gian trễ tối đa, hay lượng jiter cho phép Các lưu lượng dịch vụ này có thể được tạo ra bởi trạm phát sóng BS hay thué bao SS
802.16 - 2001 chỉ hoạt động trong môi trường tâm nhìn thẳng và với các thiết bị CPE ngoài trời
1.2.4.2 Chuẩn 802.16a-2003
Trang 1311Ghz 802.16a cho phép kết nối không cần tâm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản như cây cối nhà cua Kha nang nay mo ra cho WiMAX mot phạm vi phủ sóng rộng lớn lên tới 50km , cho phép người dùng kết nối băng rộng mà không cần tầm nhìn thẳng tới trạm phát sóng BS, tốc độ có thể lên tới hàng trăm Mbps ở mỗi trạm đồng thời luôn cung cấp đủ băng thông để đáp ứng tức thời hàng trăm công ty với những đường kết nối T1/E1 và hàng ngàn hộ gia đình với những kết nối DSL tới 1 tram BS
Tuy nhiên khả năng mới này lại đem đến cho 802.1óa những thách thức ở lớp vật lý, đó là việc phải thay lớp vật lý sao cho đáp ứng được sự hoạt động ở dải tân 2-11 Ghz Do vậy ngoài các phương pháp điều chế đã giới thiệu trong 802.16, chuẩn sửa đổi này còn đưa ra 3 dạng lớp vật lý:
- Single carrier
- 256 point FFT OFDM - 2048 point FFT OFDMA
Để đáp ứng sự tương thích với các chuẩn hiện có WiMAX mới đưa hai
dang lớp vật lý single carrier và 256 point FFT OEMD vào các sản phẩm, còn
dạng thứ ba sẽ được triển khai khi thị trường yêu cầu Các khung OFDM được lựa chọn là do khả năng ưu việt hơn so với công nghệ CDMA vì nó có thể hoạt động trong môi trường không cần tầm nhìn thẳng trong khi đó vẫn đạt được hiệu suất phổ lớn nhất Trong trường hợp CDMA, băng thông RF phải lớn hơn thông lượng dữ liệu nhiều để chống giao thoa Nếu sử dụng công nghệ CDMA để thực hiện không dây băng rộng dưới tần số 11 Ghz và tốc độ lên tới 70Mbps thì băng thông yêu cầu phải đạt 200Mpbs để có thể hoạt động không cần tâm nhìn thẳng
Bên cạnh đó một vài đặc tính của lớp vật lý cũng được nêu ra như độ rộng kênh
mềm dẻo, dạng burst thích ứng, và hệ thống anten thích ứng để cải thiện về phạm vi và dung lượng, sự lựa chọn tần số động giúp làm giảm tối thiểu giao thoa, mã hóa không gian giúp nâng cấp sự thực hiện trong môi trường fading nhờ mật độ không gian dày đặc
Trang 14nhau, kích thước kênh cũng khác nhau Trong khi đó ở băng tần cấp phép các nhà vận hành mạng phải trả cước phí cho từng Mhz được cấp nên họ luôn muốn tận dụng hết băng thông được cấp Ví dụ như một nhà vận hành mạng thuê một băng tần 14 Mhz, họ sẽ không muốn sử dụng các kênh với độ rộng 6 Mhz vì sẽ lãng phí 2 Mhz mà họ muốn hệ thống của mình phải triển khai được các kênh với độ rộng là 7Mhz; 3,5Mhz hay thậm chí 1,75Mhz để tận dụng hết dải tần
Về mặt an ninh 802.16a-2003 đưa ra cải tiến là yêu cầu lớp bảo mật là bắt buộc trong khi ở chuẩn 802.16-2001 thì lớp bảo mật này là tùy chọn
802.16a cũng thêm vào hỗ trợ mạng lưới Điều này có nghĩa là các lưu lượng từ một thuê bao SS này tới SS khác có thể được định tuyến Đây là một sự thay đổi trong mô hình điểm - đa điểm mà trước kia các lưu lượng đều phải qua trạm phát BS Sự thay đổi ở lớp MAC này cho phép các thuê bao trong mạng
Mesh có thể lập lịch trình tới nhau mà không cần thông qua trạm phát BS 1.2.4.3 Chuẩn 802.16c- 2002
Vào tháng 12 năm 2002 chuẩn 802.16c đã được công bố, bản sửa đổi mới này xem xét lại một số vấn đề về giao thức, thêm một số dạng hệ thống chỉ tiết hơn cho băng tân 10-66Ghz đồng thời cũng sửa một số lỗi và sự mẫu thuẫn của các bản trước đó
1.2.4.4 Chuẩn 802.16-2004
Chuẩn 802.16 - 2004 được phê chuẩn vào ngày 24/07/2004 và được công
bố vào tháng 9 năm 2004, còn được biết đến với cái tên chuẩn 802.16-Revd
Chuẩn 802.16-2004 chính là sự thống nhất của các chuẩn 802.11-2001, 802.16a-
2003 và 802.16c-2002 tạo nên một chuẩn mới Ban đầu nó được xem như là sự xem xét sửa đổi những chuẩn trước đó nhưng những thay đổi mới này đã hình thành nên một chuẩn mới toàn diện và được áp dụng cho chứng nhận chuẩn
WiMAX
Chuẩn 802.16 - 2004 đã đưa ra khả năng tự cài đặt các thiết bi trong nha,
Trang 15băng tần không cấp phép có thể sử dụng cả hai phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD) và ghép kênh phân chia theo tần số (FDD) Ngoài ra lớp MAC là tối ưu cho những tuyến đường truyền dài vì nó được thiết kế với khoảng trễ lớn hơn và độ trễ biến đổi
IEEE802.16-2004 ”mm.®
Hình 1.4: Sự phát triển các chuẩn 802.16
1.2.4.5 Chuẩn 802.16e và sự mở rộng
Chuẩn 802.16 là chuẩn được thêm vào đặc tính hỗ trợ di động và vẫn đang được nghiên cứu Ngoài ra chuẩn này còn đưa vào hệ thống bảo mật cao cấp (AES), một yêu cầu bắt buộc cho các chứng nhận WiMAX Tuy nhiên vì chuẩn này vẫn chưa được phê chuẩn nên chúng ta không thể nói gì về những thay đổi mới này cho đến khi bản phác thảo cuối cùng được phê duyệt
Trang 16
Chuẩn 802.16 802.16a/802.16Revd 802.16e Thời gian cong 12/2001 802.16a: 1/2003 2005 bố 802.16Revd: 2004 Dai tân số 10-66Ghz < 11 Ghz < 6 Ghz Môi trường LOS NLOS, LOS NLOS, LOS truyén Tốc độ 32- 134,4 Mbps/ Max: 75 Mbps/ Max: 15Mbps/ kênh 28 Mhz kênh 20 Mhz kênh 5 Mhz Điều chế QPSK, 16QAM, QPSK, 16QAM, Tuong tu 802.16a 64 QAM 64QAM, Single carier OFDM 256 sub-carier OFDM 2048 sub- carier Mức di động Cố định Cố định Mức di động tốc độ thấp Độ rộng kênh 20, 25, 28 Mhz Dai kénh: 1,25 -20 |Tươngtự 802.16a Mhz Ban kinh cell 2-5km 6-9km 2-5km lớn nhất là 50km phụ thuộc vào độ cao anten hệ số tăng ích và công suất phát Bảng 1.1: Đặc điểm các chuẩn 802.16
1.3 So sánh WiMAX với các công nghệ không dây khác
Ta biết rằng hiện nay một số công nghệ truy cập Internet như thông qua
Trang 17GSM, GPRS (2,5G) đạt tốc độ 171,2kbit/s, EDGE 300-400kbit/s, hệ thống 3G
đạt tốc độ 2Mbit/s Mạng WiFi (LAN không dây) chỉ đạt được khoảng cách
ngắn Nhưng WiMAX cung cấp phương tiện truy cập không dây tổng hợp thay
thế ADSL, WiFi, có thể đạt tốc độ lên tới 70Mbit/s, bán kính phủ sóng 50km với
mô hình phủ sóng giống điện thoại tế bào Bảng 1.2 bên dưới mô tả một số đặc
điểm của các công nghệ không dây hiện nay ang 3G WiFi WiMAX Mobile_Fi 802.11 802.16 802.20 Tốc độ 384 kbps - | 11 Mbps-54Mbps |_ Lên tới 70Mbps 16Mbps 2Mbps Phạm vi Vài km 100 m/LOS 30km -50km/LOS 38 km phủ sóng 30 m/NLOS 2km — 5km /NLOS Phổ tân số | Phé khong | 2,4Ghz/802.11b/g | 10- 66 Ghz/802.16 < 3,5 Ghz dây hiện có | 5,2 G/ 802.1la 2- 11 Ghz/ 802.16a
Uu diém Pham vi Tốc độ cao, Tốc độ cao, phạm | _ Tốc độ cao, phủ sóng, Giá rẻ vi phủ sóng khả năng di khả năng di động động Nhược Giá cao Phạm vi ngắn Vấn đề giao thoa Giá cao điểm Khả năng | Di chuyển Cố định và di Di động hoàn toàn | Di động hoàn di dộng động toàn
Bảng 1.2: Đặc điểm của một số công nghệ không dây
1.4 Mô hình triển khai
Sau khi ra đời, 802.16a đã nhanh chóng được triển khai tại châu Âu, Mỹ và
Trang 181.4.1 Mạng trục
802.16a là công nghệ không dây lý tưởng làm mạng trục nối các điểm
hotspot thương mại và LAN không dây với Internet Công nghệ không dây
802.16a cho phép doanh nghiệp triển khai hotspot 802.11 linh hoạt khi gặp địa hình hiểm trở, đòi hỏi thời gian ngắn và nâng cấp linh hoạt theo nhu cầu thị trường
Chuẩn 802.16a cho phép triển khai những mạng trục tốc độ cao, chi phí thấp Tại châu Âu, nơi các nhà vận hành ít chấp nhận chia sẻ cáp trục với đối thủ
cạnh tranh, mạng trục WiMax đã có đất phát triển và được sử dụng trong 80%
tháp sóng Riêng tại Mỹ, do có điều luật qui định các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba phải thuê tuyến cáp trục từ nhà cung cấp mạng trục Internet nên tốc độ ứng
dụng WiMax chậm hơn châu Âu Tuy vậy, tỷ lệ ứng dụng WiMax làm mạng trục
cũng đã chiếm đến 20% và sắp tới sẽ phát triển rất nhanh vì FCC đang chuẩn bị bỏ ràng buộc về tuyến cáp trục với các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba Đối với các nước đang phát triển thì giải pháp kết nối không dây 802.16a cho phép nâng cấp năng lực dịch vụ nhanh chóng theo nhu cầu thực tế mà không phải lo ngại về vấn đề đào đường, thay đổi kiến trúc hạ tầng
1.4.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệp
Chuẩn 802.16a được dùng làm cơ sở để liên thông các mạng LAN không dây, hotspot WiEi 802.11 hiện có Doanh nghiệp có thể tự do mở rộng qui mô
văn phòng mà môi trường mạng cục bộ vẫn được liên lạc nếu có mạng trung gian
không dây chuẩn 802.16a Nhìn rộng hơn, doanh nghiệp có thể triển khai mạng LAN không dây thống nhất cho tất cả văn phòng trong phạm vi một quốc gia 1.4.3 Băng rộng theo nhu cầu
Trang 19hàng ngàn khách Nhà cung cấp dịch vụ có thể nâng cấp hoặc giảm bớt năng lực phục vụ của hệ thống theo nhu cầu thực tế, giúp nâng cao hiệu quả kinh doanh, tăng tính cạnh tranh của doanh nghiệp
1.4.4 Mở rộng nhanh chóng, tiết kiệm
Hệ thống 802.16a cho phép phủ sóng đến những vùng hiểm trở, thiếu cáp trước đây Do tuyến cáp DSL chỉ có thể đáp ứng trong bán kính 4,8 km tính từ trạm điều phối trung tâm nên còn nhiều vùng địa hình hiểm trở mà nhà cung cấp không thể với tới Thống kê gần đây cho thấy có hơn 2.500 nhà cung cấp dịch vụ
không dây (Wireless ISP) dia phương hoạt động hiệu quả trên 6.000 thị trường tại
Mỹ Không chỉ triển khai dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, hệ thống còn cho phép triển khai dịch vụ thoại cho những người dùng ở vùng sâu vùng xa
1.4.5 Liên thông dich vụ
Trang 21CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG WIMAX
Chudn IEEE 802.16a duoc xây dựng dưới dạng giao thức ngăn xếp với nhiều giao diện được định nghĩa Lớp MAC bao gồm ba lớp con: Lớp con hội tụ
chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer), lớp con MAC phần
chung (MAC Common Part Sublayer) và lớp con bảo mật (Privacy Sublayer) Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền dẫn TC (Transmission Convergence Sublayer) Vị trí tương đối của các lớp con MAC và lớp PHY được trình bày trong hình 2.1
Lớp cao hơn
Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ
(Service Specific Convergence Sublayer) Lớp con MAC phần chung
(MAC Common Part Sublayer) SỐ Lépconbaomat ~ (Privacy Sublayer) Lớp con hội tụ truyền TC (Transmission MAC Convergence Sublayer) mm PHY QPSK | 16-QAM | 64-QAM | OFDM Hình 2.1: Cấu trúc giao thức mạng WiMAX 2.1 Lớp vật lý 2.1.1 Giới thiệu
Trang 22đã hỗ trợ công nghệ truy nhập dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao mở rộng (SOFDMA) Ban đầu chỉ sử dụng băng tần 10 - 6ó GHz đến nay chuẩn cho phép hoạt động ở cả hai băng tần 2 -11 Ghz và 10 -66 Ghz
2JoWnlink———>
3ô tạo ngẫu
> nhẹn Space lime —* trì — crR > nterpoitatiopn — JPD ——œ ur unr SA _ Coding
“EG — ẢnhXệ — > 3eamtorming
mterleaving xy nieuw — > FHI —» CFR —» nterpolitaion —» 2PD —— °A
Shannel estimation Timing % LNA
~requency Domain FFT crequency = <¢— decimation + Je andomization ~— =qualizaton Correction MAC! PHY Interiace ‡ ‘Space tme decoding Channel Estimation “ee +5 liming 4
EO Deooding “Ý” SymBol geamtoring -— ~requeney Domain : 2semauen NA
2e Terleavng 2e maping a =qualizaton << trl 4— -requeney be ndbe
<+— uplink
Hình 2.2: Tổng quan về chức năng lớp vật lý ở trạm phát sóng WiMAX
10- 66Ghz : Trong băng tần 10-66 Ghz lớp vật lý của 802.16 phải hỗ trợ môi trường truyền sóng trong tầm nhìn thẳng do vậy dạng điều chế sóng mang đơn được lựa chọn Giao tiếp không trung này được gọi là WirelessMAN- §C Nhiều thách thức trong vấn đề thiết kế vẫn tồn tại tuy nhiên do kiến trúc sử dụng ở đây là điểm - đa điểm nên về cơ bản các trạm phát sóng BS sẽ sẽ truyền phát tín hiệu TDM, trong đó các trạm thuê bao sẽ được định ra các khe thời gian liên tiếp nhau Ở hướng lên uplink sử dụng công nghệ truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Về sau bản thiết kế sử dụng dạng burst được lựa chọn bởi vì nó cho phép cả hai dạng ghép kênh theo thời gian và ghép kênh theo tân số Sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian các kênh hướng lên uplink và kênh hướng xuống downlink đều có thể sử dụng cùng một kênh truyền dẫn nhưng không được phát cùng một lúc, còn sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số hai kênh hướng lên uplink và kênh hướng xuống downlink sử dụng hai kênh khác nhau đôi khi có thể truyền phát cùng lúc Dạng burst cho phép cả TDD và EFDD được xử lý tương tự
Trang 23FDD có thể thay thế nhau và đều sử dụng dạng burst với sơ đồ mã hóa và điều
chế là tùy chọn, được gán động trên từng burst
2 - 11Ghz : Trong dải tần 2 -I1 Ghz IEEE 802.16 sử dụng cả băng tần cấp phép và không cần cấp phép trong môi trường truyền dẫn không yêu cầu tâm nhìn thẳng Các bản phác thảo hiện tại đưa ra 3 dạng lớp vật lý khác nhau, mỗi dạng đều có thể tương thích với nhau
e WirelessMAN- SCa: dang nay stt dung điều chế sóng mang đơn e WirelessMAN - OFDM: dang nay su dung ghép kénh phan chia
theo tần số trực giao với 256 điểm biến đổi FFT Đây là giao tiếp bắt buộc trong băng tần không cần cấp phép
e WirelessMAN - OFDMA: dang nay sit dung truy nhập phân chia
theo tần số trực giao với 2048 điểm biến đổi FFT Do yêu cầu về truyền sóng ở dạng vật lý này sẽ hỗ trợ hệ thống anten tiên tiến Dạng thiết kế Ứng dụng Ghép kênh
WirelessMAN- SC 10 -66 Ghz TDD, FDD | Song mang don
Trang 24Lớp vật lý được thiết kế cho sự hoạt động trong băng tần 10 -ó6 Ghz được thiết kế với sự mềm dẻo để cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có khả năng triển khai hệ thống một cách tối ưu trong việc lập các cell, tính chi phí, khả năng của sóng radio, các dịch vụ hay dung lượng của hệ thống
Để cho phép sử dụng phổ hiệu quả, cả hai phương pháp ghép kênh TDD và FDD đều được sử dụng Bên cạnh đó cả hai phương pháp này đều sử dụng các burst truyền dẫn, mỗi burst có burst profile chứa các thông số truyền dẫn như sơ đồ điều chế, sơ đồ mã hóa, và chúng có thể được điều chỉnh trên mỗi thuê bao
dựa trên từng khung một 2.1.2 Xây dựng khung
Lớp vật lý sử dụng các khung như bảng 2.2 Trong mỗi khung là các khung con hướng lên và khung con hướng xuống Các khung con hướng xuống bắt đầu với các thông tin cần thiết cho việc điều khiển và đồng bộ khung
Trong trường hợp TDD các khung con hướng xuống sẽ phát trước tiếp sau đó là các khung con hướng lên
Trang 252.1.3 Mô hình hoạt động FDD
Trong mô hình hoạt động FDD các kênh hướng lên và hướng xuống sử dụng tần số khác nhau Các tuyến hướng xuống có thể sử dụng nhiều loại điều chế khác nhau và cho phép truyền phát ngay lập tức nếu hỗ trợ song công
2.1.4 Mô hình hoạt động TDD
Trong trường hợp TDD sự truyền phát dữ liệu hướng lên và hướng xuống sử dụng cùng tần số nhưng ở những thời điểm khác nhau Một khung TDD có một khoảng thời gian cố định, và chứa một khung con hướng lên và một khung con hướng xuống Các khung TDD được chỉ ra ở hướng lên và hướng xuống là rất khác nhau tương ứng với dung lượng của tuyến
Hình 2.3: Cấu trúc khung TDD TTG
TTG là một khoảng giữa burst hướng xuống và burst hướng lên theo sau Khoảng này mở ra một khoảng thời gian để trạm phát sóng BS có thể chuyển từ trạng thái phát tin sang trạng thái nhận tin và cho phép thuê bao SS chuyển từ
trạng thái nhận tin sang trạng thái truyền tin Trong khoảng thời gian này, trạm
Trang 26các anten phát /thu khởi động, bộ thu tín hiệu của BS tích cực Sau khoảng thời gian này bộ thu của trạm phát sóng BS sẽ tìm kiếm các tín hiệu đầu tiên của burst uplink
RTG
RTG là một khoảng giữa burst hướng lên và các burst hướng xuống theo sau Khoảng này cho phép trạm phát sóng BS chuyển trạng thái từ nhận dữ liệu sang phát dữ liệu, trong khoảng thời gian này BS không phát dữ liệu đã điều chế, tuy nhiên cho phép BS phát đi tín hiệu đốc lên, anten thu/phát tín hiệu khởi động, bộ thu tín hiệu của thuê bao SS được tích cực Sau khoảng thời gian này thuê bao SS sẽ tìm những tín hiệu của dữ liệu điều chế QPSK trong burst hướng xuống Khoảng thời gian này là bội số của khoảng thời gian của một khe vật lý PS (physical slot) bắt đầu tính từ biên giới của khe vật lý này
Khe vật lý được dùng cho mục đích định ra băng thông và nhận dạng sự
chuyển tiếp lớp vật lý Khe vật lý PS thường đựơc xác định bằng các ký hiệu 4- QAM
2.1.5 Lớp vật lý hướng xuống (Downlink PHY)
Băng thông sẵn có trên các kênh hướng xuống được tính bằng khe thời gian vật lý PS, còn băng thông hướng lên tính bằng một minislot, trong đó chiều dài một minislot được tính bằng 2m PS (m = 0 7) Số lượng khe vật lý trong mỗi khung tạo nên tốc độ ký hiệu (symbol rate) Tốc độ ký hiệu trong mỗi khung thường được lựa chọn là số nguyên lần PS Ví dụ với tốc độ ký hiệu là 20 MBd, thì sẽ có 5000 PS trong một khung lms
Khung con hướng xuống (Downlink subframe)
Trang 27Burst profile chứa các thông số đặc tả các đặc tính truyền dẫn hướng lên và hướng xuống Mỗi profile chứa các thông số như loại điều chế, sửa lỗi trước, chiều dài phân mào đầu đồng bộ, khoảng bảo vệ
Thông thường các burst đầu tiên được truyền đi thường sử dụng phương pháp điều chế đơn giản nhất, thường là QPSK sau đó là 16 QAM và tiếp theo là 64_QAM Mỗi thuê bao SS nhận và giải mã các thông tin điều khiển trên kênh hướng xuống sau đó tìm kiếm phần mào đầu lớp MAC Phần TDM 3 Broadcast TDM TDM TDM § Control DIUC | DIỤC | DIUC £ DIUC=0 a b ° l N I ` 1 ` 1 1 N 1 SN / ` TTG 1 N 2 § DL-MAP UL-MAP a
Hình 2.4: Cấu trúc khung con hướng xuống
Trong trường hợp FDD cấu trúc kênh hướng xuống được minh họa như hình 2.5 Cũng giống như TDD các khung con hướng xuống cũng bắt đầu bằng phần mào đầu đồng bộ, theo sau là phần điều khiển khung và phần dữ liệu TDM, được tổ chức thành dạng burst
Trang 28TDMA Burst Preamble) dùng để đồng bộ lại Các burst trong phần TDMA không cần tuân theo thứ tự điều chế từ thấp đến cao
Phần điều khiển khung FDD chứa cả hai ánh xạ burst TDM và TDMA Phần TDM = | Broadcast | TDM | TDM | TDM Ẹ control | DIUC | DIUC | DIUC Phin TDMA 2 | DIUC=0 a b € ˆ | \ ! \
I 2| TDMA |=| TDMA | Š| TDMA 2 2| 2 2 =| TDMA
I \ 8] pruc | £| pruc | £| prc 3 š| DIUC I VIẾ| + |Ñ + lÃ| r El # | | \ |
TDM: Time Division Multiplex DIUC: Downlink Interval Usage code
DL- MAP UL-MAP
Preamble: Phần đầu động bộ khung
Preamble
Hình 2.5: Cấu trúc khung con hướng xuống FDD
Trong khung con hướng xuống TDD vốn đã chứa các dữ liệu truyền tới các thuê bao SS, và các SS sẽ truyền tin trong một khung khác sau khung mà chúng nhận được Việc này giống với cấu trúc khung con hướng xuống EDD không hỗ
trợ bán song công, khi đó các thuê bao SS được lập lịch trình phát dữ liệu trước khi chúng nhận được khung
2.1.6 Lớp vật lý hướng lên (Uplink PHY) Khung con hướng lên (uplink subframe)
Cấu trúc khung con hướng lên được sử dụng bởi thuê bao SS truyền tin tới BS được chỉ ra ở hình 2.6 Ở đây có 3 loại burst được truyền đi trong một khung con hướng lên:
Trang 29e_ Burst được phát đi với mục đích cạnh tranh được xác định bởi khoảng yêu cầu (Request Interval) dành cho việc đáp lại poll multicast hay broadcast e Burst duoc phat di trong cdc khoảng khác nhau được xác định boi Data
Grant IE ding dé dinh ra băng thông cho từng SS
Các burst này có thể tổn tại trong bất cứ khung nào, xuất hiện ở bất kỳ thời điểm nào và số lượng không hạn chế (chỉ bị hạn chế bởi số khe vật lý PS) trong
một khung
Băng thông được chỉ ra cho ranging khởi đầu và cơ hội cạnh tranh yêu cầu
(Request contention opportunies) có thể được nhóm lại với nhau và luôn được
dùng cùng với burst profile hướng lên được chỉ ra trong UIUC (ranging khởi đầu có UIUC =2, khoảng yêu cầu có UIUC =1) SSTG (SS transition gap) được dùng để tách biệt sự truyền phát của các SS khác nhau trong cùng một khung con hướng lên Khoảng trống này có dạng xung dốc xuống và được theo sau bởi một phần mào đầu cho phép BS đồng bộ với SS mới Phần mào đầu và khoảng trống này được quảng bá theo định kỳ trong thông điệp UCD Khoảng Khoảng chuyển tiếp chuyển tiếp ss Tx/Rx
Gơ hội duy | CƠ hội cạnh Khoảng dữ Khoảng dữ
Trang 30Một số nét đặc trưng khác của lớp vật lý ở chuẩn IEEE 802.16a mà do phương pháp điều chế đó mang lại đó là công suất phát lớn trong một vùng rộng, độ rộng các kênh có tính mềm dẻo, một mặt thích ứng về tốc độ, tự hiệu chỉnh lỗi, phụ thuộc vào các hệ thống anten cao cấp để cải thiện vùng phủ sóng và dung lượng hệ thống, phương pháp lựa chọn tân số DFS sé lam cho nhiễu giảm tới mức nhỏ nhất có thể, phương pháp mã hóa theo các khoảng thời gian tăng cường sự
thực hiện trong môi trường pha đỉnh và vượt qua được tính đa dạng về không
gian
2.1.7 Kiểm soát lỗi
Chuẩn IEEE802.16 sử dụng hai phương pháp kiểm soát lỗi ở lớp vật lý: Sửa lỗi trước (FEC) và yêu cầu truyền lại tự động (ARQ)
Sửa lỗi trước là phương pháp rất phổ biến ở các giao tiếp vô tuyến Chuẩn
TEEE 802.16 sử dụng Reed Solomon GF (256) FEC, tuy nhiên cho phép lựa chọn
mã Block Turbo để tăng phạm vi phủ sóng của BS hoặc tăng thông lượng
Yêu câu truyền phát lại tự động là một đặc tính lớp vật lý được sử dụng để xử lý những lỗi xảy ra trong quá trình lan truyền bất thường ARQ bao gồm cả sự truyền phát lại từng bít dữ liệu bị mất trong quá trình truyền dẫn ban đầu Việc truyền lại riêng từng bít cho phép lớp vật lý có thể tự sửa lỗi trước khi gửi dữ liệu lên các lớp cao hơn Đây là một đặc tính chỉ có ở lớp vật lý của 802.16a không có trong chuẩn 802.16
2.1.8 Tốc độ baud và độ rộng băng thông
Một lượng lớn băng thông luôn có sắn ở dải tần 10- 66 GHZ cho hé thong điểm đa điểm Mặc dù những yêu cầu quy tắc rất khác nhau ở những vùng địa lý nhưng vẫn có những tiêu chuẩn chung cho độ rộng kênh RF như bảng 2.3 Điều này là cần thiết để đảm bảo xây dựng một chuẩn có tính tương thích cho các sản
2
Trang 31Kích | Tốc độ ký | Tốc độ Tốc độ Tốc độ | Độ rộng | Số lượng
thước hiệu bit bít bit khung PS
kênh (Mbaud) | (Mbit/s) | (Mbit/s) | (Mbit/s) | duoc dé /khung (MHz) QPSK 16- QAM | 64- QAM cử (ms) 20 16 32 64 96 1 4000 25 20 40 80 120 1 5000 28 22.4 44.8 89.6 134.4 1 5600 Bảng 2.3: Tốc độ baud và độ rộng kênh
Trong bảng 2.3 tốc độ baud được chọn là số nguyên lần khe vật lý PS trên mỗi khung Khoảng thời gian của khung được chọn dựa trên cơ sở cân bằng giữa hiệu suất truyền tải và độ trễ
2.1.9 Kiểm sốt hệ thống vơ tuyến 2.1.9.1 Kỹ thuật đồng bộ
Bộ giải điều chế hướng xuống cung cấp một đồng hồ tham chiếu được lấy từ đồng hồ ký hiệu hướng xuống Tham chiếu này được sử dụng bởi các trạm thuê bao đạt được sự định thời khi đồng hồ hướng xuống bị khóa để tham chiếu chính xác tới BS
Việc đồng bộ các khe thời gian hướng lên một cách chính xác được thực hiện thông qua thủ tục chỉnh ranging được xác định ở lớp MAC đảm bảo rằng việc truyền dẫn bởi nhiều người dùng không bị giao thoa với nhau Do đó lớp vật lý phải cung cấp sự định thời chính xác từ BS và mềm dẻo trong việc chỉnh định thời ở phía SS theo các đặc tính của bộ phát
2.1.9.2 Kiểm soát tần số
Trang 32lên và hướng xuống sẽ tham chiếu lẫn nhau Tuy nhiên việc chỉnh tần số và công suất cũng tồn tại trong quá trình ranging Sau khi tần số ban đầu được điều chỉnh các biện pháp chỉnh lệch tần số theo chu kỳ ở phía BS sẽ được thực hiện ở lớp vật lý và gửi tới SS thông qua thông điệp lớp MAC nếu cần thiết
2.1.9.3 Điều khiển công suất
Cùng với việc kiểm soát tần số, thuật toán điều khiển công suất cũng được hỗ trợ ở tuyến lên với cả hai khả năng là điều chỉnh ban đầu và điều chỉnh theo chu kỳ với mục tiêu không mất dữ liệu BS có khả năng đo chính xác công suất
của tín hiệu nó nhận được Giá trị này được so sánh với mức công suất chuẩn
Nếu có lỗi, những lỗi này sẽ được gửi lại SS trong một thông điệp điều chỉnh tới từ lớp MAC Thuật tốn điều chỉnh cơng suất sẽ được thiết kế hỗ trợ sự suy hao công suất do khoảng cách, do sự thay đổi công suất ở mức cao nhất là 10đB/s với độ sâu thấp nhất là 40 dB Việc thực hiện thuật toán này một cách chính xác sẽ được đưa ra bởi các nhà cung cấp cụ thể Phạm vi điều khiển công suất tổng bao gồm cả phần cố định và phần được điều khiển tự động bằng thông tin phản hồi Thuật toán này cũng tính đến cả sự ảnh hưởng lẫn nhau của bộ khuếch đại công suất với các dạng burst profile khác nhau
2.1.10 Lớp con hội tụ truyền dẫn
Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền TC (transmission
convergence) Lớp này thực hiện sự biến đổi các PDU (protocol data units) MAC độ dài có thể thay đổi vào trong các block FEC độ dài cố định (cộng thêm có thể là một block được rút ngắn vào đoạn cuối) của mỗi “burst” Lớp TC có một PDU có kích thước khớp với block FEC hiện thời bị đầy Nó bắt đầu với một con trỗ chỉ ra vị trí đầu mục PDU MAC tiếp theo bắt đầu bên trong block FEC
Trang 33Nói tóm lại với các nét đặc trưng của lớp vật lý nó sẽ có một số lợi ích như
Sau:
Với phương pháp điều chế 256 point FFT OFDM, né sé tao ra nhiing su hỗ trợ cho việc xây dung các địa chỉ mạng đa đường trong môi trường LOS ở vùng Outdoor và NLOS
Với khả năng thích ứng điều chế và phương pháp mã hóa có khả năng tự hiệu chỉnh lỗi trong một cụm RF, đã đảm bảo độ mạnh cho các kênh RF trong khi vẫn đảm bảo số bít / giây cho mỗi một khối các thuê bao là lớn nhất
Với việc hỗ trợ truy nhập TDD và FDD, thì việc thay đổi địa chỉ trên
toàn diện rộng được quy định ở một nơi nào đó hoặc tất cả những nơi cho phép
Với độ mềm dẻo về kích thước của kênh, nó cung cấp tính mềm dẻo cần thiết cho sự hoạt động ở một số băng tần khác nhau với sự thay đổi kênh theo nhu cầu trên toàn thế giới
Với sự hỗ trợ của hệ thống anten smart, sẽ làm tăng khả năng triệt
nhiễu như vậy hệ thống sẽ lớn lên và giá thành sẽ giảm xuống
Tất cả các đặc trưng trên đều là những yêu cầu thiết yếu cơ sở cho kỹ thuật FBWA outdoor hoạt động Tính mềm dẻo của kích cỡ kênh cũng là một điều bắt buộc nếu nó muốn được thực thi trên phạm vi toàn thế giới Khi mà trong dải phổ cho phép sự hoạt động trong hệ thống phải trả giá cước cho từng MHz, thì đó là vấn đề cấp thiết cho việc triển khai hệ thống sử dụng tất cả các phần của dải phổ và cung cấp tính mềm dẻo trong mạng tổ ong cellular
2.2 Lớp MAC
2.2.1 Vấn đề về công nghệ
Trang 34hàng trăm thiết bị đầu cuối trên mỗi kênh trong đó mỗi thiết bị có thể được dùng chung bởi nhiều người dùng
Do vậy các dịch vụ phục vụ mỗi người dùng này là khác nhau, gồm có thoại và dữ liệu được ghép kênh theo thời gian, các kết nối IP hay VoIP Để đáp ứng các dịch vụ khác nhau này lớp MAC phải đáp ứng cả hai dòng lưu lượng dạng liên tục (continuous) hay dạng xung (bursty) Ngoài ra những dịch vụ này phải đáp ứng cả QoS trên từng lưu lượng Lớp MAC 802.16 cho phép một phạm
vi ứng dụng rộng rãi từ các loại dịch vụ tương tự tới các dạng dịch vụ chuyển
giao bất đồng bộ (ATM) cũng như các dạng mới như tốc độ khung được đảm bảo (GFR guaranteed frame rate)
Giao thức lớp MAC cũng hỗ trợ các yêu cầu khác nhau của mạng backhaul như chuyển giao bất đồng bộ (ATM) hay các giao thức dựa trên gói dữ liệu Lớp con hội tụ được sử dụng để ánh xạ các dòng lưu lượng từ lớp truyền tải tới lớp MAC, đây là một lớp dịch vụ mềm dẻo để mang bất cứ loại lưu lượng nào Thông qua các đặc tính như chặn phần đầu tải tin, đóng gói, phân đoạn lớp hội tụ
và lớp MAC có thể làm việc cùng nhau tạo một cơ chế truyền tải hiệu suất hơn
Vấn đề hiệu suất truyền tải cũng được đưa ra ở giữa lớp MAC và lớp PHY Ví dụ như sơ đồ mã hóa và điều chế được chỉ ra ở burst profile có thể điều chỉnh tương ứng với mỗi dạng burst và mỗi thuê bao Lớp MAC có thể sử dụng burst profile để đạt hiệu suất băng thông cao nhất với điều kiện tuyến truyền dẫn tốt
Cơ chế yêu cầu/ cấp phát (request/ grant) giúp cho mạng có thể mở rộng quy mô, đạt hiệu suất cao hơn Hệ thống truy nhập 802.16 sẽ không giảm hiệu suất khi nó phục vụ nhiều kết nối trên mỗi thiết bị đầu cuối, đáp ứng nhiều mức QoS trên mỗi thiết bị đầu cuối và phục vụ số lượng người dùng lớn nhất
Trong khi việc cấp phát băng thông mở rộng và cơ chế QoS được chuẩn hóa thì chi tiết của việc lập lịch trình và cơ chế quản lý dành riêng chưa được
chuẩn hóa cung cấp cho các nhà đầu tư cơ hội tạo sự khác biệt trong thiết bị của mình
Trang 35cá nhân Để đáp ứng nhiều dạng lớp vật lý khác nhau và các yêu cầu dịch vụ khác nhau ở băng tần 2-11 GHz lớp MAC của 802.16a phải được nâng cấp để cung cấp yêu cầu lặp tự động (automatic repeat request ARQ) và hỗ trợ mạng lưới chứ không chỉ là kiến trúc mạng điểm - đa điểm
Lớp MAC gồm có ba lớp con: lớp hội tụ chuyên biệt dịch vụ giao tiếp với các lớp bên trên, nằm trên lớp MAC con phần chung thực hiện chức năng quan trọng của lớp MAC Lớp bên dưới là lớp con bảo mật
" PL SSCs Phân lớp gói Tập hợp các Quản lý cầu Hệ thống quản
hướng xuống gói hướng lên trị mạng
Hình 2.7: Sơ đồ khối chức năng lớp MAC
2.2.2 Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ
Lớp con hội tụ chuyên biệt các dịch vụ nằm trên lớp MAC phần chung Thông qua SAP lớp MAC phần chung sẽ cung cấp các dịch vụ cho lớp hội tụ
phần chung Chuẩn IEEE 802.16 xác định hai lớp con hội tụ chuyên biệt các dịch
vụ để ánh xạ các dịch vụ tới và từ các kết nối lớp MAC Lớp hội tụ phần chung
thực hiện các chức năng cụ thể sau:
Trang 36e _ Nhận các PDU từ các lớp cao hơn
e Thực hiện phân loại các PDU của các lớp trên e _ Xử lý các PDU dựa trên sự phân loại
e _ Đưa các CS PDU đến các MAC SAP tương ứng e Nhận các CS PDU từ các thực thể ngang hàng 2.2.2.1 Lớp con hoi ATM
Lớp con hội tụ ATM sử dụng cho các dịch vụ ATM, nhận các cell ATM từ
các lớp ATM thực hiện phân lớp , chặn mào đầu tải tin, và đưa các CS PDU đến
các MAC SAP tương ứng 2.2.2.1.1 Dạng PDU Mao dau ATM CS PDU Tai tin ATM CS PDU
Hình 2.8: Dạng PDU của lớp hội tụ con ATM
PDU của lớp hội tụ con ATM có hai phần: phần mào đầu PDU và phần tảI tin PDU như hình 2.8
2.2.2.1.2 Sự phân lớp
Một kết nối ATM được xác định bởi hai giá trị nhận dạng đường ảo VPI
(Virtual Path Identifier) và nhận dạng kênh ảo VCI (Virtual Channel Identifer)
trong mô hình chuyển mạch theo đường hay chuyển mạch theo kênh Trong mô hình chuyển mạch theo đường tất cả các VCI trong một VPI sẽ tự động được ánh xạ đến lối ra của VPI Trong mô hình chuyển mạch theo kênh các giá trị
VPI/VCI sẽ được ánh xạ đến các VPI/VCI tương ứng Khi thực hiện chặn phần
mào đầu tải tin thì sẽ phân biệt hai loại mô hình này riêng Mô hình chuyển mạch VP
Trong mô hình này trường VPI dành 12 bít cho giao tiếp mạng - mạng
(NNI) va 8 bit cho giao tiếp người dùng - mạng (UND được ánh xa tới CID 16
Trang 37Mô hình chuyển mạch VC
Trong mô hình này trường VPI và VCI có tổng số 28 bit cho NNI và 24 bit cho UNI, cing duoc ánh xạ tới CID Tuy nhiên phạm vi của VPI/ VCI là 2 cho NNI và 2”“UNI không được hỗ trợ cùng một lúc
2.2.2.1.3 Chặn mào đầu tải tin (PHS payload header suppression)
Chan phan mao đầu tải tin, bản sao của phần mào đầu tải tin sẽ được loại bỏ ở bên gửi và được khôi phục tại bên nhận Khi không có chặn mào đầu tải tin thì không một phần nào của phần mào đầu được loại bỏ kể cả HEC (Header Error Check) Khả năng này cung cấp sự toàn vẹn phần mào đầu cell Việc có áp dụng PH§S trong kết nối ATM hay không được chỉ ra trong thông điệp DSA-REQ ở quá trình tạo kết nối, đồng thời mô hình VPI hay VCI cũng sẽ được chỉ ra trong thông điệp này PHS của kết nối ATM dựa trên chuyển mạch đường: Mao dau Tai tin cell ATM ATM CS (48 bit)
PTI CLP |chua sit dung| VCI (3 bit) (1 bit) | (4 bit) (16 bit)
Hình 2.9: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch đường PTI: payload type indicator
CLP: cell loss priority
Trang 382.2.2.1.4 Thủ tục báo hiệu
Giao diện ATM hỗ trợ 3 loại kết nối:
e_ Kênh ảo chuyển mạch SVC ( switched virtual circuit) e_ Kênh ảo cố định PVC (permanent virtual circuit )
e Kénh ao c6 dinh mém soft PVC (soft permanent virtual circuit) Từ “cố định” ám chỉ rằng kênh được thiết lập cho mục đích quản lý Mặc dù cả PVC và Soft PVC đều được thiết lập để quản lý nhưng PCV dùng cho quá trình xử lý dự phòng còn soft PVC được sử dụng để báo hiệu
Mạng ATM sử dụng báo hiệu kênh chung (CCS common channel signaling) trong đó thông điệp báo hiệu được truyền trên những kết nối độc lập với kết nối của người sử dụng Một kênh báo hiệu sẽ mang tín hiệu báo hiệu của một số người dùng nhất định
Kênh ảo chuyển mạch chịu trách nhiệm khởi tạo thủ tục báo hiệu bằng việc phát đi một thông điệp báo hiệu tương ứng và thực hiện việc ánh xạ các thông điệp báo hiệu ATM tới MAC CPS
Kênh ảo cố định mềm (soft PVC) được sử dụng trong hệ thống quản trị mạng Kênh này có nhiệm cụ thiết lập và giải phóng kết nối khi cuộc liên lạc kết thúc hay trong trường hợp chuyển hệ thống hay tuyến liên kết bị lỗi Bên cạnh đó cũng có nhiệm vụ chuyển thông điệp báo hiệu tới MAC CP§
2.2.2.2 Lớp con hội tụ gói
Lớp con hội tụ gói nằm trên lớp MAC CPS, ding cho cdc dich vu g6i như IPv4, IPv6, Ethernet, mang LAN ao (VLAN) Nhiém vu chính của lớp con này là phân loại đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) tới các kết nối MAC thỏa đáng, duy trì và cho phép các thông số QoS và cho phép cấp phát băng thông
Trang 39e Phân lớp các PDU giao thức lớp cao hơn tới những kết nối tương ứng
e Chan phan mao đầu tải tin
e Dua cdc CS PDU tới các MAC SAP liên kết với các dòng dịch vụ để
chuyển sang các MAC SAP ngang hàng
e_ Nhận các CS PDU từ các MAC SAP ngang hàng
e_ Xây dựng lại bất kỳ một thông tin nào của phần mào đầu tải tin
CS bên gửi sẽ chịu trách nhiệm đưa MAC SDU tới các MAC SAP Lớp
MAC sé dua MAC SDU tới MAC SDU ngang hàng theo phù hợp với QoS, phan đoạn, ghép nối và các chức năng khác liên quan đến các đặc tính của dòng dịch vụ Bên nhận sẽ chuyển các MAC §DU tới các lớp giao thức cao hơn 2.2.2.2.1 Dạng MAC SDU Các PDU lớp cao hơn được bọc trong dạng MAC SDU như hình 2.11 MAC SDU Packet PDU ( tùy chọn) Hình 2.11: Dạng MAC SDU
Trong SDU có trường PHSI 8 bit là trường chỉ dẫn chặn mào đầu tải tin Nếu giá trị trường này bằng 0 thì không có PHS trong SDU
2.2.2.2.2 Sự phân lớp
Trang 40tham chiếu tới CID hay loại gói tin của các giao thức cụ thể (ví dụ như gói tin IP)
Nếu không có các thông tin phân lớp này gói tin sẽ được đến những kết nối mặc định hoặc bị loại bỏ Việc phân lớp có thể được thêm vào thông qua sự quản
lý mạng hoặc thông qua sự hoạt động động (như báo hiệu động) hay giao thức
SNMP
2.2.2.2.3 Chan mào dau tai tin
Chan mào đầu tải tin là bản sao của thông tin mào đầu của lớp cao hơn sẽ được hủy bỏ ở bên gửi và được khôi phục lại ở bên thu Mỗi SDU sẽ có PHSI(
payload header suppression identify) chỉ ra trường chặn mào đầu tải tin PHSF (
payload header suppression field)
PHS c6 mot trudng 14 PHSV (payload header suppression valid) dé x4c nhận phần tải tin trước khi chặn PHS cũng có trường PHSM cho phép lựa chọn những byte sẽ không cần chặn PHSM được sử dụng khi gửi những byte thay đổi như số chuỗi IP trong khi các byte khác không thay đổi
Bên gửi sử dụng các thông tin phân lớp để ánh xạ các gói tin trong các dòng dịch vụ Việc ánh xạ các gói tin liên quan đến quy tắc PHS Bên nhận sử
dụng CID và PHSI để khôi phục PHSF Mỗi PHSF được gán tới một PHSI, và sẽ
không thay đổi Để thay đổi giá trị PHSFE trên dòng dịch vụ phải có các quy tắc PHS mới được đưa ra Chỉ có các lớp trên mới có thể tạo ra các quy tắc PHS mới 2.2.2.2.4 Quá trình chặn mào đầu tải tin
Khi SS nhận được một gói tin từ lớp hội tụ gói, nó sẽ so sánh các byte
trong mào đầu gói tin với các byte trong PHSF nếu phù hợp SS sẽ chặn các byte trong PHSF hướng lên ngoại trừ byte được che bởi PHSM Sau đó SS gắn PHSI vào đầu PDU và gửi toàn bộ MAC SDU tới MAC SAP để truyền lên hướng lên