CÁC kỹ THUẬT điều KHIỂN TRUY NHẬP (MAC) TRONG CÔNG NGHỆ MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG WIMAX

MỤC LỤC MỞ ĐẦU . 2 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX . 3 1.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG 3 1.2. KHÁI NIỆM . 3 CHƢƠNG 2. KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX 9 2.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG 9 2.2. MÔ HÌNH THAM CHIẾU . 9 2.3. LỚP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI TRƢỜNG (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 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI . 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 25 MỞ ĐẦU Xu hƣớng phát triển của các mạng thế hệ sau đƣợc đặc trƣng bởi khả năng hội tụ, tốc độ dữ liệu cao, hỗ trợ nhiều mức chất lƣợng 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 hƣớng phát triển đó là việc chuẩn hóa, cho phép xây dựng kiểu mạng độc lập với thiết bị và khả năng tƣơng tác giữa các kiểu mạng khác nhau ở mức cao. Một công nghệ đang đƣợc phát triển đáp ứng đƣợc những đặc tính kể trên, đƣợc chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đó là công nghệ IEEE 802.16, thƣờng đƣợc gọi là công nghệ WiMAX. WiMAX đƣợc thiết kế nhằm mục đích bổ sung vào các công nghệ truy cập không dây hiện tại với ƣu 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 trƣờng MAC trong công nghệ WIMAX. Tiểu luận sẽ trình bày những vấn đề cơ bản nhất về công nghệ WiMAX nhƣ các chuẩn WiMAX, các kỹ thuật đƣợc ứng dụng trong WiMAX, mô hình phân lớp và bảo mật trong WiMAX. CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX 1.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG WiMAX là một công nghệ cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối nhƣ một phƣơng thức thay thế cho cáp và đƣờng dây thuê bao số DSL. WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (ngƣời sử dụng có thể di động nhƣng cố định trong lúc kết nối), portable (ngƣời 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 đƣợc các nhƣợc điểm của các phƣơng pháp truy nhập hiện tại, cung cấp một phƣơng tiện truy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp đƣờng 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 tƣơng tự nhƣ mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo nhƣ 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 chƣơng 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 ƣu 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 tƣơng thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network). Họ 802.16 này đƣa 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 trƣờng (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. Hai phiên bản của WiMAX đƣợc đƣa ra nhƣ sau:  Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, đƣợc thiết kế cho loại truy nhập cố định và lƣu 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 trƣờng 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 đƣợc cấp chứng chỉ và thƣơng mại hóa. Hình 1.1 mô hình WiMAX cố định  Mobile WiMAX (WiMAX di động): dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e, đƣợc thiết kế cho loại truy cập xách tay và di động. về cơ bản, tiêu chuẩn 802.16e đƣợc phát triển trên cơ sở sửa đổi tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 để tối ƣu cho các kênh vô tuyến di động, cung cấp khả năng chuyển vùng – handoff và chuyển mạng – roaming. Tiêu chuẩn này sử dụng phƣơng thức đa truy cập ghép kênh 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 trƣờng truyền dẫn đa đƣờng nhằm tăng thông lƣợng cũng nhƣ dung lƣợng 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. Hình 1.2 mô hình WiMAX di động WiMAX đã đƣợc phát triển và khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của các công nghệ truy cập băng rộng trƣớc đây, cụ thể: o Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa điểm, công nghệ lƣới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi. Điều khiển truy nhập môi trƣờng – MAC, phƣơng 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. o Chất lƣợng dịch vụ QoS: WiMAX có thể đƣợc tối ƣu động đối với hỗn hợp lƣu lƣợng sẽ đƣợc mang. Có 4 loại dịch vụ đƣợc 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 đƣờng 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 tƣ một hệ thống giảm đáng kể. o Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS đƣợc phân phát nói chung dựa vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhà cung cấp dịch vụ và ngƣời 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 ngƣời 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 lƣợng cáp đồng thì kém hoặc đƣa 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 tƣơng thích: WiMAX đƣợc xây dựng để trở thành một chuẩn quốc tế, tạo ra sự dễ dàng đối với ngƣời 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 tƣơng thích bảo vệ sự đầu tƣ của một nhà vận hành ban đầu vì nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị. o 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 trƣờng di động. Những cải tiến này, bao gồm OFDMA mở rộng đƣợc, 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 ngƣời 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 trƣờng 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 đƣờng 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 đƣợc 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 đƣợc nối với một anten bên ngoài (LOS). o Dung lƣợng cao: Có thể đạt đƣợc dung lƣợng 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 nhƣ là một cách để tăng dung lƣợng mạng. Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất phát) và các phép đo chất lƣợng kênh nhƣ các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả. Chuẩn đã đƣợc thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn ngƣời sử dụng trong một kênh RF. Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phƣơng tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát đƣợc nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trƣờng 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. CHƢƠNG 2. KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX 2.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG Trong chƣơng 2, chúng ta đã tìm hiểu về các kỹ thuật đƣợc sử dụng trong WiMAX, trong chƣơng 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 trƣờng) 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 tƣơng ứng với lớp 1 (lớp vật lý) và lớp MAC tƣơng ứng với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) trong mô hình OSI. Hình 2.1. Mô hình tham chiếu [5] Hình 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 hƣớng di chuyển của luồng dữ liệu qua các lớp. Mỗi lớp sẽ thực hiện encapsulation (đóng gói) dữ liệu nhận đƣợc từ các lớp trên. Tại lớp thấp nhất, dữ liệu đƣợc truyền dƣới dạng bit qua môi trƣờng truyền đến nơi nhận. Tại trạm thu, dữ liệu sẽ đƣợc decapsulation (mở gói) để lấy các thông tin cần thiết và các thông tin này đƣợc 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 đƣợc encapsulation tại lớp con