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 m
Trang 1MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 2
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX 3
1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 3
1.2 KHÁI NIỆM 3
CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX 9
2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 9
2.2 MÔ HÌNH THAM CHIẾU 9
2.3 LỚP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG (MAC) 11
2.3.1 Kết nối và địa chỉ 12
2.3.2 Lớp con hội tụ MAC 13
2.3.3 Lớp con phần chung MAC 14
2.3.4 Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông 18
2.3.6 Lớp con bảo mật 21
2.4 LỚP VẬT LÝ 21
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO 25
Trang 2MỞ 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
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)
Tiểu luận này tập trung vào việc nghiên cứu lớp Điều khiển truy nhập môi trường MAC trong công nghệ WIMAX Tiểu luận 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
Trang 3CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX
1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
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
Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về WiMAX, các chuẩn WiMAX hiện nay, các băng tần có thể sử dụng cho WiMAX, các ưu điểm và lợi ích của WiMAX mang lại, đồng thời là tình hình triển khai WiMAX trên thế giới và tại Việt Nam
1.2 KHÁI NIỆM
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)
Trang 4WiMAX 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 Hai phiên bản của WiMAX được đưa ra như sau:
Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, được
thiết kế cho loại truy nhập cố định và lưu động Trong phiên bản này sử dụng
kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và không nhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-sight) Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tai đã được cấp chứng chỉ và thương mại hóa
Hình 1.1 mô hình WiMAX cố định
Mobile WiMAX (WiMAX di động): dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e, được
thiết kế cho loại truy cập xách tay và di động về cơ bản, tiêu chuẩn 802.16e được phát triển trên cơ sở sửa đổi tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 để tối ưu cho các kênh vô tuyến di động, cung cấp khả năng chuyển vùng – handoff và chuyển mạng – roaming Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa truy cập ghép
Trang 5kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal Frequency Division Multiple Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng
Trang 6MS 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
o 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)
o 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
o 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
o 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
Trang 7o 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
o 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
o Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK) Các hệ thống WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa
BS và MS không bị cản trở Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị
hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS)
o Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất
o Tính mở rộng: Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển
Trang 8công suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào
để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau
o Bảo mật: Bằng cách mã hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sử dụng chuẩn mã hóa tiên tiến AES, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vô tuyến Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ
Trang 9CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX
2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Trong chương 2, chúng ta đã tìm hiểu về các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX, trong chương này, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu về 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)
2.2 MÔ HÌNH THAM CHIẾU
Hình 3.1 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 2.1 Mô hình tham chiếu [5]
Trang 10Hình 2.2 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 3.3 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 2.3 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
Trang 11bảo 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
2.3 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 việc 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
Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng dựa trên kiến trúc tập trung, hỗ trợ
mô hình Point-to-Point, Point-to-Multipoint (PMP) và Mesh Trạm BS đóng vai trò trung tâm với một sectorized anten có khả năng điều khiển đồng thời nhiều sector độc lập
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) Đơn vị lập lịch lớp MAC sẽ sử dụng tài nguyên airlink để cung cấp các mức QoS phân biệt Lớp MAC cũng thực hiện chức năng tương thích liên kết (link adaption) và truyền lại tự động ARQ (Automatic Repeat Request) nhằm duy trì thông lượng dữ liệu đối đa với tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rates) chấp nhận được Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cũng điều khiển quá trình truy nhập và rời khỏi mạng của SS, thực hiện tạo và truyền các đơn vị dữ liệu giao thức PDU (Protocol Data Unit) 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)
Trang 12Có hai loại kết nối cơ bản: kết nối quản trị (Management Connection) và kết nối chuyển tải (Transport Connection)
Kết nối quản trị đƣợc sử dụng để truyền các thông báo quản trị
Kết nối chuyển tải đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu
Kết nối quản trị chia làm ba kiểu: cơ bản (Basic Connection), sơ cấp (Primary Connection) và thứ cấp (Secondary Connection)
Basic Connection: đƣợc sử dụng để truyền các thông báo ngắn, yêu cầu độ trễ
Primary Connection: đƣợc sử dụng để truyền các thông báo quản trị dài hơn, không yêu cầu độ trễ nhƣ các thông báo thực hiện quá trình xác thực và thiết lập kết nối
Trang 13 Secondary Connection: được sử dụng để truyền các thông báo quản trị chuẩn như SNMP (Simple Network Management Protocol), DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)…
Transport connnection là các kết nối đơn hướng được sử dụng để chuyển tải dữ liệu, các tham số QoS và các tham số lưu lượng phù hợp với dịch vụ tương ứng Ngoài ra còn
có một số các liên kết được dành riêng cho các mục đích khác như kết nối quảng bá (Broadcast connection), kết nối chuyển tải các báo hiệu xung đột, thăm dò…
Địa chỉ
Mỗi một trạm SS có một địa chỉ MAC 48 bit duy nhất, được sử dụng định danh SS hoặc được sử dụng trong quá trình xác thực Mỗi một trạm BS cũng có 1 địa chỉ 48 bit định danh trạm nhưng không phải là địa chỉ MAC CID được xem như là địa chỉ sơ cấp sau khi được khởi tạo và được sử dụng trong quá trình hoạt động của hệ thống
2.3.2 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), ánh xạ thành các đơn vị dữ liệu dịch vụ lớp MAC SDU (Service Data Unit) MAC SDU là các đơn vị dữ liệu được trao đổi giữa hai lớp giao thức kế cận nhau Các MAC SDU này được chuyển đến lớp con phần chung MAC thông qua các điểm truy nhập dịch vụ lớp con phần chung (CPS SAP) Tại lớp con phần chung MAC, các SDU được phân loại và kết hợp với một giá trị định danh luồng dịch vụ SFID (Service Flow Identifier) và một CID 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