Công nghệ WIMAX và ứng dụng của WIMAX trong mạng viễn thông

LỜI NÓI ĐẦU Viễn thông là một lĩnh vực phát triển mạnh mẽ, không chỉ gia tăng về mặt dịch vụ mà vấn đề công nghệ cũng được quan tâm nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Thông tin không dây đang có mặt tại khắp mọi nơi và phát triển một cách nhanh chóng, các hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng công nghệ GSM và CDMA đang dần thay thế các hệ thống mạng điện thoại cố định hữu tuyến.Các hệ thống mạng LAN không dây- còn được biết với tên thông dụng hơn là Wi-fi cũng đang hiện hữu trên rất nhiều tòa nhà văn phòng, các khu vui chơi giải trí. Trong vài năm gần đây một hệ thống mạng MAN không dây (Wireless MAN) thường được nhắc nhiều đến như là một giải pháp thay thế và bổ sung cho công nghệ xDSL là Wimax. Wimax còn được gọi là Tiêu chuẩn IEEE 802.16, đáp ứng được nhiều yêu cầu kỹ thuật và dịch vụ khắt khe mà các công nghệ truy nhập không dây thế hệ trước (như Wi-fi và Bluetooth) chưa đạt được như bán kính phủ sóng rộng hơn, băng thông truyền dẫn lớn hơn, số khách hàng có thể sử dụng đồng thời nhiều hơn, tính bảo mật tốt hơn. Với nhưng ưu điểm vượt trội như vậy thì WiMAX được xem là một công nghệ hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai gần. Mạng Viễn thông Việt Nam trong những năm qua đã có sự phát triển mạnh mẽ, các hệ thống cung cấp dịch vụ truy cập băng rộng đã và đang được triển khai tại hầu hết các tỉnh thành. Tuy nhiên, phần lớn vẫn là các hệ thống xDSL cung cấp truy cập hữu tuyến và hệ thống WiFi với phạm vi phục vụ còn rất hạn chế. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng dịch vụ băng rộng lại đang đòi hỏi rất cấp thiết tại nhiều vùng, nhiều khu vực mà các giải pháp hiện có rất khó triển khai hoặc triển khai chậm. Để có thể triển khai nhanh chóng và hiệu quả hệ thống truy cập băng rộng tại các khu vực này thì việc nghiên cứu triển khai các hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng WiMAX là hết sức cần thiết. Với mục đích tìm hiểu về công nghệ WiMAX để đánh giá, lựa chọn giải pháp, thiết bị và hệ thống mạng phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, đồ án tốt nghiệp sẽ gồm 4 chương. 1 Chương 1 Tìm hiểu công nghệ mạng không dây, lợi ích hoạt động của việc sử dụng mạng, ngoài ra tìm hiểu chi phí đầu tư và các tiêu chuẩn áp dụng cho mạng không dây. Chương 2 Giới thiệu tổng quan về hệ thông Wimax, đặc điểm, ưu điểm, nhược điểm của hệ thống, một số băng tần sử dụng và các chuẩn trong công nghệ Wimax Chương 3 Tìm hiểu hệ thống bảo mật trong Wimax, các giao thức quản lý khoá PKM, quá trình thiết lập khoá và trao đổi khoá mã hoá dữ liệu Chương 4 Nghiên cứu khả năng triển khai và ứng dụng hệ thống Wimax trên mạng viễn thông Việt Nam Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của các thầy, cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Cô giáo TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa và các thầy cô giáo trong Khoa Công Nghệ Trường Đại Học Vinh. Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, Ngày 05 Tháng 05 Năm 2010 Sinh Viên Nguyễn Viết Hoàng 2 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đứng trước sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ truyền thông băng rộng đang trở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ như truy cập Internet quay số qua modem thoại ADSL hay các đường kênh riêng hoặc sử dụng các hệ thống điện thoại di động hay mạng Wi-Fi. Wimax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế ADSL và Wi-Fi. Để tìm hiểu về công nghệ Wimax ta đi sâu nghiên cứu các băng tần, chuẩn các kỹ thuật điều chế OFDM và OFDMA và đặc biệt là bảo mật trong Wimax, từ đó nghiên cứu khã năng triễn khai và ứng dụng hệ thống Wimax trên mạng viễn thông Việt Nam. In the face of ongoing development of science and technology communication broadband is becoming essential requirements brought many benefits to users, in addition to providing services such as Internet access via modem dial phone ADSL lines or separate channels or use the mobile system or Wi-Fi network. Wimax been formed to provide a means to access the wireless Internet can replace synthetic ADSL and Wi-Fi. To learn more about Wimax technology we studied in depth bands, the standard modulation technique OFDM and OFDMA, and especially security in WiMax, which studies the ability to deploy WiMax systems and applications on the network Vietnam Telecommunications MỤC LỤC 3 Trang LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………… 1 TÓM TẮT ĐỒ ÁN……………………………………………………………. 3 MỤC LỤC…………………………………………………………………… . 4 DANH SÁCH HÌNH VẼ…………………………………………………… . 7 DANH SÁCH CÁC BIỂU BẢNG…………………………………………… 9 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TÁT…………………………………………. 10 CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY……………. 15 1.1 Giới thiệu mạng không dây……………………………………………… . 15 1.1.1 Khái niệm mạng không dây……………………………………………. 15 1.1.2 Lợi ích của việc sử dụng mạng không dây…………………………… 15 1.1.3 Hoạt động của mạng không dây……………………………………… 17 1.1.4 Chi phí đầu tư cho mạng không dây…………………………………… 18 1.1.5 Các tiêu chuẩn áp dụng cho mạng không dây…………………………. 19 1.2 Wi-Fi……………………………………………………………………… 19 1.3 Kết luận chương……………………………………………………………. 22 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX……………………. 23 2.1 Tổng quan về Wimax……………………………………………………… 23 2.1.1 Giới thiệu về Wimax………………………………………………… 23 2.2 Băng tần cho WIMAX…………………………………………………… . 25 2.2.1 Băng 3400-3600MHz (băng 3.5GHz)………………………………… 25 2.2.2 Băng 3600-3800MHz………………………………………………… 25 2.2.3 Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz………………………………… 25 2.2.4 Băng 2500-2690MHz (băng 2.5 GHz…………………………………. 25 2.2.5 Băng 2300-2400MHz (băng 2.3 GHz)……………………………… . 26 2.2.6 Băng 5725-5850MHz (băng 5.8 GHz)……………………………… 26 2.2.7 Băng dưới 1GHz……………………………………………………… 26 2.3 Các chuẩn trong công nghệ WiMAX……………………………………… 27 2.3.1 IEEE 802.16 – 2001…………………………………………………… 27 2.3.2 IEEE 802.16a-2003…………………………………………………… 27 2.3.3 IEEE 802.16c-2002…………………………………………………… 28 2.3.4 IEEE 802.16-2004……………………………………………………. 28 2.3.5 IEEE 802.16e và các chuẩn mở rộng………………………………… 28 2.4 Mô hình ứng dụng WiMAX……………………………………………… 29 2.4.1 Mô hình ứng dụng cố định…………………………………………… 29 2.4.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di động…………………………………. 30 2.5. Đặc điểm kỹ thuật của công nghệ Wimax………………………………… 30 2.5.1. Kỹ thuật điều chế OFDM…………………………………………… 32 2.5.1.1 Hoạt động của OFDM……………………………………………. 34 2.5.1.2 Những ưu điểm của hệ thống OFDM…………………………… 35 2.5.1.3 Nhược điểm của hệ thống OFDM……………………………… . 35 2.5.2 Kỹ thuật điều chế OFDMA ……………………… 36 4 2.5.2.1 Khái niệm………………………………………………………… 36 2.5.2.2 Đặc điểm…………………………………………………………… 36 2.5.2.3 OFDMA nhãy tần………………………………………………… 37 2.5.2.4 Hệ thống OFDMA…………………………………………………. 39 2.5.3 So sánh OFDM và OFDMA…………………………………………… 40 2.5.4 Kênh con hóa dải tần số……………………………………………… 42 2.5.5 Anten cho các ứng dụng vô tuyến cố định……………………………. 42 2.5.6 Phân tập thu phát……………………………………………………… 43 2.5.7 Điều chế thích nghi……………………………………………………. 43 2.5.8 Các kỹ thuật sửa lỗi trước…………………………………………… . 44 2.5.9 Điều khiển công suất………………………………………………… 44 2.6 Ưu điểm của Wimax………………………………………………………. 45 2.7 Kết luận chương………………………………………………………… . 46 CHƯƠNG III: BẢO MẬT TRONG WiMAX………………………………… 47 3.1 Kiến trúc bảo mật chẩn IEEE 802.16……………………………………… 47 3.1.1 Giới thiệu………………………………………………………………. 47 3.1.2 Kiến trúc bảo mật……………………………………………………… 48 3.1.2.1 Tập hợp bảo mật…………………………………………………… 50 3.1.2.2. Giao thức quản lí khóa PKM cơ bản trong 802.16………………… 50 3.1.2.2.1 Cơ bản về PKM…………………………………………………. 52 3.1.2.2.2 Quá trình thiết lập khóa cấp quyền AK………………………… 54 3.1.2.2.3 Pha trao đổi khóa mã hóa lưu lượng TEK……………………… 56 3.1.2.2.4 Đồng bộ và thay đổi khóa ……………………………………… 57 3.2 Quy trình bảo mật………………………………………………………… 59 3.2.1 Xác thực……………………………………………………………… 60 3.2.2 Trao đổi khóa dữ liệu………………………………………………… 61 3.2.3 Mã hóa dữ liệu………………………………………………………… 63 3.3. Kết luận chương…………………………………………………………… 64 CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG WIMAX TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM 65 4.1 Giới thiệu chương………………………………………………………… 65 4.2 Nhu cầu và hiện trạng các hệ thống truy nhập băng rộng tại Việt Nam 65 4.2.1 Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam . 65 4.2.2 Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam . 65 4.2.2.1 Truy nhập băng rộng qua hệ thống cáp hữu tuyến . 65 4.2.2.2 Truy nhập băng rộng qua hệ thống vô tuyến 66 4.2.2.3 Truy nhập băng rộng qua vệ tinh 67 4.3 Các mô hình triển khai công nghệ mạng WiMAX 67 4.3.1 Mạng dùng riêng……………………………………………………… 67 4.3.2 Các mạng phục vụ cộng đồng………………………………………… 68 4.4 Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam . 75 4.5 Kết luận chương……………………………………………………………. 81 KẾT LUẬN…………………………………………………………………… 82 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 83 DANH SÁCH HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu hình điểm AP làm chức năng repeater………………… . 16 Hình 1.2 AP thực hiện chia tải (Load Balacing)……………………… 16 Hình 1.3 Dịch chuyển tốc độ truyền dẫn đảm bảo duy trì kết nối……………. 16 Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của Access Point…………………………… . 17 Hình 1.5 Microcell với Access Point…………………………………………. 18 Hình 1.6 Card mạng hỗ trợ Mạng không dây sử dụng cho PC và Laptop…………………………………………………………………………. 18 Hình 1.7 802.11b là chuẩn cho mạng Wi-Fi…………………………………. 19 Hình 2.1 Mô hình truyền thông của WiMAX……………………………… 24 Hình 2.2 Mô hình ứng dụng WiMAX cố định……………………………… 29 Hình 2.3 Mô hình ứng dụng Wimax di đông………………………………… 30 Hình 2.4 So sánh FDM và OFDM…………………………………………… 33 Hình 2.5 OFDM với 256 sóng mang……………………………………… . 33 Hình 2.6 Tín hiệu sóng mang cua OFDM…………………………………… 34 Hình 2.7 ODFM và OFDMA………………………………………………………………. 36 Hình 2.8 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM…………………………… 39 Hình 2.9 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA………………………… 40 Hình 2.10 So sánh OFDM và OFDMA…………………………………… 41 Hình 2.11 Kênh con hóa dải tần số…………………………………………… 42 Hình 2.12 Kỹ thuật điều chế và bán kính cell………………………… 44 Hình 3.1 Các lớp giao thức 802.16………………………………………… 48 Hình 3.2 Mô hình kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16…………… . 49 Hình 3.3 Các luồng của giao thức PKM cơ bản…………………………… 53 Hình 3.4 Quy trình bảo mật…………………………………………………. 59 Hình 3.5 Quá trình xác thực SS với BS…………………………………… . 60 Hình 3.6 Quá trình trao đổi khóa dữ liệu……………………………………. 62 Hình 3.7 Định dạng payload trước và sau khi mã hóa……………… 63 Hình 4.1 Cellular Backhaul………………………………………………… 62 Hình 4.2 WSP Backhaul……………………………………………………. 67 Hình 4.3 Mạng ngân hang………………………………………………… . 68 Hình 4.4 Mạng giáo dục…………………………………………………… 68 Hình 4.5 Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng……………………. 69 Hình 4.6 Sử dụng Wimax cho việc thông tin liên lạc xa bờ………… 70 Hình 4.7 Kết nối nhiều khu vực…………………………………………… . 71 Hình 4.8 Các công trình xây dựng………………………………………… . 72 Hình 4.9 Các khu vực công cộng…………………………………………… 73 6 Hình 4.10 Mạng truy nhập WSP……………………………………………. 74 Hình 4.11 Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh……………………. 75 Hình 4.12 Cấu hình thử nghiệm WiMAX của VNPT . 77 Hình 4.13 Sơ đồ kết nối tại trạm gốc……………………………………… 78 Hình 4.14 Sơ đồ kết nối trạm đầu cuối thuê bao……………………………. 79 DANH SÁCH CÁC BIỂU BẢNG Bảng 1 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA……………………. 37 Bảng 2 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian………………………………………………. 38 Bảng 3 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau…………… 39 Bảng 4 Các thống số kỹ thuật thiết bị WiMAX thử nghiệm tại Lào Cai……………………………………………………………………………. 80 7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AAA Authentication Authorizaton and Account Nhận thực, cấp quyền và tài khoản ACL Access Control List Danh sách điều khiển truy nhập ADDR Address Trường địa chỉ AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao AK Authorization Key Khoá được cấp quyền AP Access Point Điểm truy nhập ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ BPI Baseline Privacy Interface Giao diện cá nhân đường cơ sở BS Based Station Trạm gốc BSD Berkeley Software Distribution Phân phối phần mềm Berkeyley BSID Based station ID ID của trạm gốc CCM cryptographic block ciphers mode Chế độ mã hóa khối 8 CCMP Counter Code with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol Giao thức mã nhận thực bản tin chuỗi mã được bao bọc bởi khối mã hoá CGI Computer-generated imagery Phần mở rộng của máy CID Card Identification Number Số xác nhận card CHAP Challenge-Handshake Authentication Protocol Giao thức xác thực bắt tay yêu cầu CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư DCD Downlink Channel Descriptor Nhận dạng kênh đường xuống DES Data Encryption Standard Tiêu chuẩn Mã hóa Dữ liệu DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình Host động DZ Demilitarized zone Vùng đặt máy chủ DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specifications Đặc điểm kỹ thuật giao diện dịch vụ dữ liệu truyền qua cáp DoS Denial-of-Services Từ chối các dịch vụ DSL Digital subscriber line Đường dây thuê bao số DMZ Demilitarized zone Vùng phi quân sự EAK Extensible Authentication Key Khoá xác thực mở rộng EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực mở rộng EAPOL Extensible Authentication Protocol over LANs Giao thức xác thực mở rộng qua mạng LAN EIK EAP Integrity Key Khóa toàn vẹn EAP FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tải tập tin GAK Group Authorization Key Khoá được cấp phép nhóm GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GTEK Group Traffic Encryption Key Khoá mã hoá lưu lượng nhóm ICV Integrity check value Giá trị kiểm tra toàn vẹn IDS Instrusion Detection Systems Hệ thống dò tìm hướng dẫn IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Viện kĩ thuất điện-điện tử thế giới IK Integrity Key Khóa toàn vẹn IKE Internet Key Exchange Trao đổi khoá internet IP Internet Protcol Giao thức internet ISAKMP Internet Security Association and Key Management Protocol Giao thức kết hợp bảo mật Internet và quản lý khoá 9 IV Initiation Vector Véc tơ khởi tạo KDF Kraft durch Freude KSA Key Schedule Algorithm Thuật toán lập lịch khoá HMAC Hash Message Authentication Code Mã hóa xác thực băm bản tin HMACMD5 Hash-based Message Authentication Code use Message Digest 5 Mã xác thực bản tin lỗi cơ sở sử dụng thuật toán băm bản tin 5 LAN Local Area Network Mạng nội hạt MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MANET Mobile Ad- hoc Network Mạng Ad- hoc di động MBS Multicast and Broadcast service Dịch vụ Multicast và Broadcast MD4/5 Message Digest 4/5 Thuật toán phân loại bản tin 4/5 MIC Message Integrity Check Kiểm tra tính toàn vẹn của bản tin MID Mobile Internet Device Thiết bị internet di động MIP Mobile Internet Protocol Giao thức Internet cho di động MITM Man In The Middle Người ở giữa MPDU MAC Protocol Data Unit Khối dữ liệu giao thức MAC MPR Minnesota Public Radio MSID Mobile station ID ID của trạm di động MSS Mobile Subscriber Station Trạm thuê bao đi động NAS Network Access Server Máy chủ truy cập mạng máy tính NIC Network Information Centre Trung tâm thông tin mạng NIST National Institute of Standards and Technology Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia NSA National Security Agency Cơ quan bảo mật quốc gia OCSP Optimized Link State Routing Giao thức trạng thái chứng nhận trực tuyến OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Đa phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OMAC One-key MAC Một khoá MAC OTP One Time Password Sử dụng mật khẩu một lần PAP Password Authentication Protocol Giao thức xác thực mật khẩu PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association Kết hợp card nhớ máy tính cá nhân toàn cầu PDU Packet Data Unit Đơn vị gói dữ liệu 10 . điều chế OFDM và OFDMA và đặc biệt là bảo mật trong Wimax, từ đó nghiên cứu khã năng triễn khai và ứng dụng hệ thống Wimax trên mạng viễn thông Việt Nam ích của việc sử dụng mạng không dây và hoạt động của nó trong thực tế. trong mạng không dây có rất nhiều ví dụ như Wifi, Wlan, Wimax . Để hiểu rỏ hơn về mạng