Bảo mật và kết nối di động của WiMax

Bảo mật và kết nối di động của WiMax

Mục lục

Chương 1 Giới thiệu mạng WiMAX 6

1.1 Công nghệ băng rộng không dây 6

1.1.1 Thế nào là băng rộng không dây 6

1.1.2 Lợi ích của băng rộng không dây 7

1.2 Giới thiệu về WiMAX 7

1.4.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệp 18

1.4.3 Băng rộng theo nhu cầu 18

1.4.4 Mở rộng nhanh chóng, tiết kiệm 19

1.4.5 Liên thông dich vụ 19

2.1.9.3 Điều khiển công suất 32

2.1.10 Lớp con hội tụ truyền dẫn 32

2.2 Lớp MAC 33

2.2.1 Vấn đề về công nghệ 33

2.2.2 Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ 35

2.2.2.1 Lớp con hội ATM 36

2.2.2.1.1 Dạng PDU 36

2.2.2.1.2 Sự phân lớp 36

2.2.2.1.3 Chặn mào đầu tải tin (PHS payload header suppression) 37

2.2.2.1.4 Thủ tục báo hiệu 38

2.2.2.2 Lớp con hội tụ gói 38

2.2.2.2.1 Dạng MAC SDU 39

2.2.2.2.2 Sự phân lớp 39

2.2.2.2.3 Chặn mào đầu tải tin 40

2.2.2.2.4 Quá trình chặn mào đầu tải tin 40

2.2.3 Lớp con phần chung (common part sublayer) 41

2.2.4.2.1 Thiết lập khoá trao quyền AK 63

2.2.4.2.2 Trao đổi khoá TEK 64

2.2.4.3 Vấn đề sử dụng khóa 66

2.2.4.3.1 Khoá AK 66

2.2.4.3.2 Khoá TEK 66

2.2.4.4 Phương pháp bảo mật 67

Chương 3: Vấn đề an ninh mạng WiMAX 69

3.1 Khái niệm an ninh mạng .69 

3.1.1 Các vấn đề về an ninh mạng 69

3.1.2 Các cuộc tấn công an ninh 69

3.2 Phân tích an ninh mạng WiMAX 72

3.2.1 Những điểm yếu về mặt giao thức 72

3.2.1.1 Thiếu sự xác thực hai chiều 72

3.2.1.2 Lỗi trong quản lý khóa 72

3.2.2 So sánh một số nhược điểm an ninh trong mạng WiFi và WiMAX 73

3.2.2.1 Cuộc tấn công hủy bỏ xác thực (Deauthentication Attack) 74

3.2.2.2 Cuộc tấn công lặp lại (Replay attack) 77

3.2.2.3 Giả mạo điểm truy nhập (Access Point Spoof) 79

3.2.2.4 Cuộc tấn công vào cơ chế sóng mang lớp vật lý 80

3.2.2.5 Giả mạo địa chỉ MAC (MAC Address Spoofing) 82

3.2.3 Những điểm yếu mới trong mạng WiMAX 84

3.2.3.1 Nền tảng công nghệ của các cuộc tấn công 84

3.2.3.2 Lớp MAC 87

3.2.3.3 Các cuộc tấn công tiềm ẩn trong mạng 802.16 87

3.2.3.3.1 Cuộc tấn công sử dụng thông điệp RNG-RSP 87

3.2.3.3.2 Cuộc tấn công vào thông điệp thông báo quyền không hợp lệ 91

3.3 Những cải tiến mới về an ninh trong mạng WiMAX 94

3.3.1 Giao thức PKM v2 94

3.3.1.1 Xác thực hai chiều dựa trên public- key 95

3.3.1.1.1 Thông điệp yêu cầu trao quyền (thông điệp 2) 95

3.3.1.1.2 Thông điệp đáp lại trao quyền (thông điệp 3) 96

3.3.1.1.3 Thông điệp xác nhận trao quyền .96

3.3.1.2 Trao quyền lẫn nhau dựa trên EAP trong PKM v2 97

3.3.1.2.1 Quá trình xác thực dựa trên EAP 97

3.3.1.2.2 Quá trình trao đổi 3 bước giữa SS và BS 98

3.3.1.3 Phân cấp khóa 99

3.3.2 Sử dụng mô hình CCM cho 802.16 MPDUS 99

3.3.2.1 Xây dựng nonce 101

Chương 4 Kết nối WiMAX với mạng di động 102

4.1 Lời giới thiệu 103

4.2.1.5 Một số yêu cầu khi kết nối WiMAX- 3GPP 109

4.2.1.5.1 Yêu cầu về WiMAX AAA server và các giao thức AAA 109

4.2.1.5.2 Yêu cầu về điều khiển truy nhập 110

4.3.4 Thủ tục chuyển giao 124

4.3.4.1 Chuyển giao từ mạng truy nhập WiMAX đến UTRAN 125

4.3.4.2 Chuyển giao từ UTRAN tới mạng truy nhập WiMAX 128

4.4 Kết luận 131

Thuật ngữ viết tắt 132

Tài liệu tham khảo 139

Bảng Bảng 1.1: Đặc điểm các chuẩn 802.16 16

Bảng 1.2: Đặc điểm của một số công nghệ không dây 17

Bảng 2.1: Mô tả các dạng thiết kế lớp vật lý 23

Bảng 2.2: Độ dài khung vật lý 24

Bảng 2.3: Tốc độ baud và độ rộng kênh 31

Bảng 2.4: Các trường trong phần mào đầu chung GH 44

Bảng 2.5: Các trường trong phần mào đầu yêu cầu băng thông 44

Bảng 3.1: Dạng thông điệp RNG-RSP 88

Bảng 3.2: Các mã trong thông điệp RNG-RSP 91

Bảng 3.3: Dạng thông điệp PKM 91

Bảng 3.4: Mã thông điệp PKM 92

Bảng 3.5: Thuộc tính thông điệp Auth Invalid 93

Bảng 3.6: Giá trị mã lỗi trong thông điệp xác thực 94

Hình 1.5 Mô hình triển khai WiMAX 20

Hình 2.1: Cấu trúc giao thức mạng WiMAX 21

Hình 2.2: Tổng quan về chức năng lớp vật lý ở trạm phát sóng WiMAX 22

Hình 2.3: Cấu trúc khung TDD 25

Hình 2.4: Cấu trúc khung con hướng xuống 27

Hình 2.5: Cấu trúc khung con hướng xuống FDD 28

Hình 2.6: Cấu trúc khung con hướng lên 29

Hình 2.7: Sơ đồ khối chức năng lớp MAC 35

Hình 2.8: Dạng PDU của lớp hội tụ con ATM 36

Hình 2.9: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch đường 37

Hình 2.10: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch kênh 37

Hình 2.11: Dạng MAC SDU 39

Hình 2.12: MAC PDU 42

Hình 2.13: Cấu trúc khung phần mào đầu chung của MAC PDU 43

Hình 2.14: Cấu trúc khung phần mào đầu yêu cầu băng thông 44

Hình 2.15: Xây dựng MAC PDU 46

Hình 2.16: Mô tả PDU và SDU trong ngăn giao thức 47

Hình 2.17: Sử dụng bit poll- me 52

Hình 2.18: Ví dụ cơ hội truyền dẫn trong thông điệp yêu cầu băng thông 58

Hình 2.19: Giao thức PKM 62

Hình 2.20: Quá trình mã hóa bảo mật trong 802.16 67

Hình 3.1: Dạng tấn công thụ động 70

Hình 3.2: Dạng tấn công chủ động 70

Hình 3.3: Dạng tấn công man in the middle 71

Hình 3.4: Tấn công bằng thông điệp RES-CMD 76

Hình 3.5: Vị trí có thể tấn công trong cấu trúc khung TDD 86

Hình 3.6: Quá trình tấn công bằng thông điệp RNG-RSP 89

Hình 3.7: Phần tải tin WMAN CCM 99

Hình 3.8: Xây dựng block B 0 trong 802.16 101

Hình 3.9: Xây dựng block A i trong 802.16 101

Hình 4.1: Mô hình kết nối loose-coupling và tight-coupling giữa WiMAX và 3GPP 106

Hình 4.2: Kiến trúc mạng non- roaming WiMAX-3GPP 107

Hình 4.3: Kiến trúc mạng roaming WiMAX-3GPP 108

Hình 4.4: Kiến trúc mạng WiMAX 120

Hình 4.5: Kiến trúc mạng UMTS 121

Hình 4.6: Kiến trúc liên mạng WiMAX-UMTS 123

Hình 4.7: Thủ tục chuyển giao từ WiMAX sang UMTS 125

Hình 4.8: Thủ tục chuyển giao từ UMTS sang WiMAX 128

Chương 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, WiFi, 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

1.1.2 Lợi ích của băng rộng không dây

ã Băng rộng hứa hẹn các dịch vụ thoại dữ liệu và truyền hình tốc độ cao ã 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

ã Nó đưa ra những kết nối ở những chặng cuối, mà DSL hay băng rộng hữu tuyến không thể đạt tới

ã 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

ã Nó vượt qua sự thực thi và độ tin cậy của các mạng hữu tuyến với đường dây thuê riêng

ã 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 cập vô tuyến 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)

IEEE 802.16 Broadband Wireless Metropolitan Area Network (Wireless MAN) Standard cung cấp giải pháp kết nối băng rộng tới những người dùng cố định di động do đó nó kinh tế hơn cơ sở hạ tầng hữu tuyến IEEE 802.16 Working Group on BWA đang phát triển chuẩn dành cho mạng WMAN với khả năng ứng dụng trên phạm vi toàn cầu từ tháng 7 năm 1999 Chuẩn IEEE 802.16 liên quan đến giao tiếp không gian giữa các thuê bao và các trạm phát sóng Chuẩn IEEE 802.16 được công bố vào ngày 8 tháng 4 năm 2002 Các chuẩn dành cho mạng WMAN có thể kết nối các điểm nóng 802.11 tới Internet và đưa ra giải

pháp 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 cần tầm 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

Hình 1.2: Mô hình mạng WiMAX

1.2.2 Đặc điểm của công nghệ WiMAX

Hình 1.3: Đặc điểm công nghệ WiMAX

* Kiến trúc mềm dẻo: WiMAX có một vài kiến trúc như Point to Point

dành cho backhaul, Point to Multipoint cho BS (base station) đến SS (subscriber) Nếu chỉ có một SS trong mạng WiMAX thì BS sẽ giao tiếp với SS trên nền 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 mạnh: WiMAX hỗ trợ AES (advanced Encryption Standard) và

3DES (triple Data Encryption Standard) Với việc bảo mật tuyến giữa BS và SS, WiMAX cung cấp sự riêng tư và an toàn ở giao tiếp không dây băng rộng An ninh mạng WiMAX còn cho phép các nhà vận hành mạng chống lại sự đánh cắp các dịch vụ Ngoài ra WiMAX cũng cho phép xây dựng mạng riêng ảo (VPN), cho phép bảo vệ những dữ liệu được gửi đi từ những người sử dụng khác nhau trong cùng một BS.

* 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 bị 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): Với việc đáp ứng

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 (Portability): Giống như hệ thống cellular một

WiMAX 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 IEEE 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) và hỗ trợ dạng

Idle/sleep và handoff cho phép sự di động ở tốc độ lên tới 160 km/h

*Phạm vi phủ sóng rộng khắp: WiMAX hỗ trợ nhiều mức điều chế bao

gồm BPSK, QPSK, 16_QAM, 64_QAM Khi hoạt động với bộ khuếch đại công suất lớn và mức điều chế thấp BPSK, QPSK WiMAX vẫn có thể bao phủ một

* 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 rộng từ 2GHz đến 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): Truyền dẫn 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): ở 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

Chuẩn sử dụng điều chế sóng mang đơn trong phạm vi tần số 10Ghz đến 66Ghz và sử dụng cả hai phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD)

và ghép kênh phân chia theo tần số (FDD) Các sơ đồ điều chế được sử dụng là QPSK, 16QAM và 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 toán này mạng không 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 Như 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 thuê bao SS

802.16 - 2001 chỉ hoạt động trong môi trường tầm nhìn thẳng và với các

thiết bị CPE ngoài trời

1.2.4.2 Chuẩn 802.16a-2003

Vào tháng 1 năm 2003 IEEE công bố chuẩn 802.16a-2003 để cung cấp sự

11Ghz 802.16a cho phép kết nối không cần tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản như cây cối nhà cửa Khả năng này mở ra cho WiMAX một 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 trạm BS

Tuy nhiên khả năng mới này lại đem đến cho 802.16a 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 tần 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 dạng lớp vật lý single carrier và 256 point FFT OFMD 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 tầm 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

Các đặc tính trên là rất cần thiết cho ứng dụng truy nhập băng rộng không dây ngoài trời, đặc biệt độ rộng kênh mềm dẻo là một yêu cầu đầu tiên để WiMAX có thể được triển khai rộng rãi, bởi vì ở mỗi nước băng tần là khác

nhau, 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 chi tiết hơn cho băng tần 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 bị trong nhà,

băng 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

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

Bên cạnh chuẩn 802.16 e thì các chuẩn như 802.16 f, 802.16g đang được nghiên cứu Các chuẩn này chủ yếu tập trung vào các giao thức quản lý mạng.

Chuẩn 802.16 802.16a/802.16Revd 802.16e Thời gian công

bố

12/2001 802.16a: 1/2003 802.16Revd: 2004

2005

Môi trường truyền

kênh 28 Mhz

Max: 75 Mbps/ kênh 20 Mhz

OFDM 2048 sub- carier

và công suất phát

2- 5 km

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 modem thì đạt tốc độ thấp, ADSL đạt tốc độ 8Mbps nhưng cần có dây, các kênh

GSM, 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

802.11

WiMAX 802.16

Mobile_Fi 802.20

2Mbps

11 Mbps-54Mbps Lên tới 70Mbps 16Mbps

Phạm vi phủ sóng

Vài km 100 m/LOS 30 m/NLOS

30km -50km/LOS 2km – 5km /NLOS

38 km

dây hiện có

2,4Ghz/802.11b/g 5,2 G/ 802.11a

10- 66 Ghz/802.16 2- 11 Ghz/ 802.16a

< 3,5 Ghz

phủ sóng, khả năng di

động

Tốc độ cao, Giá rẻ

Tốc độ cao, phạm vi phủ sóng

Tốc độ cao, khả năng di

động

Nhược điểm

Giá cao Phạm vi ngắn Vấn đề giao thoa Giá cao

Khả năng di dộng

Di chuyển Cố định và di động

Di động hoàn toàn Di động hoàn

1.4.1 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 WiFi 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

Hệ thống không dây cho phép triển khai hiệu quả ngay cả khi sử dụng ngắn hạn Với sự hỗ trợ của công nghệ 802.16a, hệ thống hotspot 802.11 vẫn đủ

hàng 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) địa 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

Với công nghệ IEEE 802.16e mở rộng từ 802.16a, trong tương lai người dùng sẽ được hỗ trợ dịch vụ roaming tương tự điện thoại di động, tự động chuyển kết nối đến nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây địa phương ngay khi ra ngoài vùng phủ sóng của mạng gia đình, công ty Dự kiến đến 2006, công nghệ WiMAX sẽ được tích hợp vào máy tính xách tay, PDA như Wi-Fi hiện nay và từng bước hình thành nên những vùng dịch vụ không dây băng rộng mang tên "MetroZones".

H×nh 1.5 M« h×nh triÓn khai WiMAX

Chương 2 Cấu trúc mạng WiMAX

Chuẩn IEEE 802.16a được 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)

Chuẩn IEEE 802.16 là chuẩn hỗ trợ nhiều giao tiếp môi trường vật lý khác nhau Chuẩn được phát triển từ phiên bản năm 2001 và đến nay vẫn được nghiên cứu Trước kia 802.16 chỉ sử dụng dạng điều chế sóng mang đơn nhưng đến nay

đã 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 - 66 GHz đến nay chuẩn

cho phép hoạt động ở cả hai băng tần 2 -11 Ghz và 10 -66 Ghz

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- SC 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 tần 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 FDD được xử lý tương tự nhau, tuy nhiên các thuê bao chỉ sử dụng FDD bán song công Hai dạng TDD và

FDD 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 -11 Ghz IEEE 802.16 sử dụng cả băng tần cấp

phép và không cần cấp phép trong môi trường truyền dẫn không yêu cầu tầm 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

ã WirelessMAN- SCa: dạng này sử dụng điều chế sóng mang đơn

ã WirelessMAN - OFDM: dạng này sử dụng ghép kênh phân 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

ã WirelessMAN - OFDMA: dạng này sử dụng 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

WirelessMAN- SC 10 -66 Ghz TDD, FDD Sóng mang đơn WirelessMAN-SCa 2-11 Ghz, băng

tần cấp phép

TDD, FDD Sóng mang đơn, mở rộng cho NLOS

Wireless MAN- OFDM

2-11Ghz, băng tần cấp phép

TDD, FDD OFDM dùng trong NLOS

WirelesMAN - OFDMA

2 -11 Ghz, băng tần cấp phép

TDD, FDD OFDM được chia ra thành các nhóm con để cho phép đa truy nhập trong một băng tần WirelessHUMAN 2-11 Ghz băng

tần không cần cấp phép

TDD Có thể là sóng mang đơn

OFDMA Bao gồm cả việc lựa chọn tần số

động

Bảng 2.1: Mô tả các dạng thiết kế lớp vật lý

Lớp vật lý được thiết kế cho sự hoạt động trong băng tần 10 -66 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

Trong trường hợp FDD sự truyền phát dữ liệu hướng lên xảy đồng thời với hướng xuống Mỗi thuê bao SS sẽ cố gắng nhận hết các burst hướng xuống ngoại trừ những burst mà burst profile không được thực hiện bởi SS và những burst có tín hiệu không đủ mạnh so với các burst profile hiện tại của thuê bao SS đó Các SS trong mô hình bán song công sẽ không cần thiết phải nghe các phần của kênh

hướng xuống

M∙ độ dài khung

Độ dài khung

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 phát sóng BS và thuê bao SS không được phát bất cứ dữ liệu gì đã được điều chế tuy nhiên nó cho phép bộ phát sóng của BS có thể phát đi những xung dốc xuống,

các 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 dốc 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 1ms

Khung con hướng xuống (Downlink subframe)

Cấu trúc của khung con hướng xuống sử dụng TDD được minh họa theo hình 2.4 Khung con hướng xuống bắt đầu với phần mào đầu đồng bộ khung được sử dụng để đồng bộ và cân bằng khung Tiếp theo sau là phần điều khiển khung chứa DL-MAP và UL-MAP, sau đó là phần mang dữ liệu TDD được tổ

chức thành dạng burst, trong đó mỗi burst có một burst profile khác nhau, giúp

Burst 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 phần 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

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

Các khung con hướng xuống sẽ tiếp tục với phần TDMA được sử dụng để truyền dữ liệu tới bất kỳ một thuê bao bán song công nào đã được lập lịch trình truyền phát dữ liệu trước khung mà chúng nhận được Điều này cho phép các thuê bao cá nhân có thể giải mã các phần khung cụ thể trong khung hướng xuống mà không cần phải giải mã toàn bộ khung con hướng xuống Trong phần TDMA mỗi burst sẽ bắt đầu với phần mào đầu burst TDMA hướng xuống (downlink

TDMA 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. 

TDM: Time Division Multiplex DIUC: Downlink Interval Usage code Preamble: Phần đầu động bộ khung Phần TDM

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 FDD 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:

ã Burst được phát đi với mục đích cạnh tranh dành cho ranging khởi đầu.

ã 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 ã Burst được phát đi trong các khoảng khác nhau được xác định bởi Data

Grant IE dùng để định ra băng thông cho từng SS

Các burst này có thể tồn 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

(UIUC = i) …   Khoảng dữ liệu SS N (UIUC = j) Khoảng 

Xung đột Burst truy nhập  băng thụng Yờu cầu  Xung đột  băng thụng Yờu cầu 

Hình 2.6: Cấu trúc khung con hướng lên

Một 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 tần số DFS sẽ làm 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 đinh 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

IEEE 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 cầu 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 sẵn ở dải tần 10- 66 GHZ cho hệ thống 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 phẩm.

Kích thước

kênh (MHz)

Tốc độ ký hiệu (Mbaud)

Tốc độ bit (Mbit/s)

QPSK

Tốc độ bít (Mbit/s) 16- QAM

Tốc độ bit (Mbit/s) 64- QAM

Độ rộng khung được đề

cử (ms)

Số lượng PS /khung

hiệu suất truyền tải và độ trễ

2.1.9 Kiểm soát hệ thống vô 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

Kiểm soát tần số là một thành phần của lớp PHY Lỗi tần số rất khác nhau theo từng thời kỳ và nhiệt độ trong đơn vị sóng vô tuyến, đặc biệt là ở tần số cao Để giảm độ phức tạp trong các thành phần tần số ở SS tần số sóng mang hướng

lên 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 toán điều chỉnh công 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 10dB/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 trỏ chỉ ra vị trí đầu mục PDU MAC tiếp theo bắt đầu bên trong block FEC

Khuôn dạng PDU TC cho phép đồng bộ hóa lại PDU MAC tiếp sau trong trường hợp block FEC trước đó có những lỗi không thể phục hồi được Không có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một "burst" khi một

Nói tóm lại với các nét đặc trưng của lớp vật lý nó sẽ có một số lợi ích như sau:

ã Với phương pháp điều chế 256 point FFT OFDM, nó sẽ tạo ra những sự hỗ trợ cho việc xây dựng các địa chỉ mạng đa đường trong môi trường LOS ở vùng Outdoor và NLOS

ã 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

ã 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

ã 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

ã 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

Giao thức lớp MAC của IEEE 802.16 được thiết kế cho các ứng dụng truy nhập băng rộng không dây Nó đáp ứng tốc độ dữ liệu cao trên cả hai tuyến uplink và downlink Thuật toán truy nhập và cấp phát băng thông phải đáp ứng

hàng 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

Cùng với những nhiệm vụ cơ bản như định băng thông, truyền tải dữ liệu

cá 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

hỡnh  Hệ thống quản trị mạng Tập hợp cỏc 

PHY

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:

2.2.2.1 Lớp con hội 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

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) và 8 bit cho giao tiếp người dùng - mạng (UNI) được ánh xạ tới CID 16 bit

Mào đầu

ATM CS PDU Tải tin ATM CS PDU

Mô hình chuyển mạch VC

Trong mô hình này trường VPI và VCI có tổng số 28 bit cho NNI và 24 bit cho UNI, cũng được ánh xạ tới CID Tuy nhiên phạm vi của VPI/ VCI là 2 28 cho NNI và 2 24 UNI không được hỗ trợ cùng một lúc

2.2.2.1.3 Chặn mào đầu tải tin (PHS payload header suppression)

Chặn phần mào 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 PHS 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:

Hình 2.9: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch đường

PTI: payload type indicator

CLP: cell loss priority

PHS của kết nối ATM dựa trên chuyển mạch kênh:

Hình 2.10: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch kênh

Mào đầu Tải tin cell ATM ATM CS (48 bit)

PTI CLP chưa sử dụng VCI (3 bit) (1 bit) (4 bit) (16 bit)

Mào đầu Tải tin cell ATM

PTI CLP chưa sử (3 bit) (1 bit) dụng (4 bit)

2.2.2.1.4 Thủ tục báo hiệu

Giao diện ATM hỗ trợ 3 loại kết nối:

ã Kênh ảo chuyển mạch SVC ( switched virtual circuit) ã Kênh ảo cố định PVC (permanent virtual circuit )

ã Kênh ảo cố định mềm 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 CPS

2.2.2.2 Lớp con hội tụ gói

Lớp con hội tụ gói nằm trên lớp MAC CPS, dùng cho các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet, mạng LAN ảo (VLAN) Nhiệm vụ 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

Việc ánh xạ có rất nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào các loại dịch vụ Ngoài các chức năng cơ bản này lớp con hội tụ có thể thực hiện các chức năng tinh vi hơn như chặn phần mào đầu tải tin và tái tạo nâng cấp hiệu suất tuyến truyền dẫn Chức năng cụ thể như sau:

ã Phân lớp các PDU giao thức lớp cao hơn tới những kết nối tương ứng

ã Chặn phần mào đầu tải tin

ã Đưa các CS PDU tới các MAC SAP liên kết với các dòng dịch vụ để chuyển sang các MAC SAP ngang hàng

ã Nhận các CS PDU từ các MAC SAP ngang hàng

ã 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 sẽ đưa MAC SDU tới MAC SDU ngang hàng theo phù hợp với QoS, phân đoạn, ghép nối và các chức năng khác liên quan đến các đặc tính của dòng dịch

vụ Bên nhận sẽ chuyển các MAC SDU 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

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

Phân lớp là một quá trình mà MAC SDU được ánh xạ tới các kết nối truyền dẫn cụ thể giữa các MAC ngang hàng Việc ánh xạ các MAC SDU tới một kết nối tạo sự liên kết với các đặc tính của dòng dịch vụ của kết nối đó Để có thể thực hiện phân lớp từng gói tin cần có các thông tin như thứ tụ ưu tiên phân lớp,

tham 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 Chặn mào đầu tải tin

Chặn 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 có một trường là PHSV (payload header suppression valid) để xác 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 PHSF 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

Khi một gói tin được nhận bởi BS , BS sẽ kiểm tra phần mào đầu chung.BS gửi PDU tới MAC SAP của CID đó Lớp hội tụ gói sử dụng CID và PHSI để tìm