WiMAX chỉ làm việc trên hai lớp đầu tiên của mô hình tham chiếu OSI. Đó là lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu, chính xác hơn là lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC).
Lớp vật lý của WiMAX cho phép truyền tín hiệu trong dải tần số từ 10 đến 66GHz, sau đó thêm vào dải từ 2 đến 11 GHz được gọi là 802.16a. 802.16a sau đó được cải tiến thành 802.16d và tiếp tục nâng cấp thành 802.16e. 802.16d sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), hỗ trợ nhiều anten. Ưu điểm của việc sử dụng nhiều anten là cải thiện được vùng phủ, tiêu thụ công suất thấp, khả năng tự lắp đặt, tái sử dụng tần số và hiệu quả băng thông cao.
802.16 MAC sử dụng thuật toán scheduling, với thuật toán này trạm thuê bao cần cạnh tranh một lần (lúc khởi đầu đi vào mạng). Sau đó nó được cấp phát một khe dành cho truy cập bởi trạm gốc. Khe thời gian có thể mở rộng hoặc thu nhỏ nhưng vẫn được ấn định đến trạm thuê bao, tức là các trạm thuê bao khác không thể sử dụng được nó. Thuật toán scheduling ổn định quá taria, cho hiệu quả băng thông cao hơn. Thuật toán này cũng cho phép BS điều khiển các thông số QoS bằng cách cân bằng giữa các ấn định khe thời gian giữa các nhu cầu của trạm thuê bao.
Hình 3.8– Mô hình phân lớp của chuẩn WiMAX
Hình 3.9– Các lớp của giao thức 802.16
Lớp MAC bao gồm ba lớp con: lớp con hội tụ dịch vụ chuyên biệt (MAC CS), lớp con phần chung (MAC CPS) và lớp con bảo mật (MAC PS).
Có hai loại lớp con hội tụ là lớp con hội tụ ATM và lớp con hội tụ gói dành cho các dịch vụ dạng gói như Ethernet, PPP, IP và VLAN.
Chức năng cơ bản của lớp con hội tụ là nhận dữ liệu từ lớp cao hơn, phân loại dữ liệu dạng ATM hay dạng gói và chuyển các khung này đến lớp CPS.
Phần lõi của lớp MAC 802.16 là lớp con phần chung (MAC CPS). Nó định nghĩa tất cả các quản lý kết nối, phân phối băng thông, yêu cầu và cấp phát, thủ tục truy cập hệ thống, lập lịch đường lên, điều khiển kết nối và ARQ.
Truyền thông giữa CS và CPS được các điểm dịch vụ MAC (MAC SAP) duy trì. Thiết lập, thay đổi, xóa kết nối và truyền tải dữ liệu trên các kênh là bốn chứcnăng cơ bản của quá trình truyền thông tại lớp này.
Lớp con bảo mật thực hiện mã hóa dữ liệu trước khi truyền đi và giải mã dữ liệu nhận được từ lớp vật lý. Nó cũng thực hiện nhận thực và trao đổi khóa bảo mật.
Trong hệ thống 802.16, MAC thông tin bằng cách sử dụng khối dữ liệu giao thức (MPDU), khối này được mang bởi lớp PHY.
Hình 3.10- Định dạng MAC PDU
SS. Một MAC PDU bao gồm một MAC header có độ dài cố định, tải trọng có độ dài thay đổi và CRC.
Có hai loại header: header chung và header yêu cầu băng thông. MAC PDU yêu cầu băng thông thì không bao gồm tải trọng. MAC PDU bao gồm các thông điệp quản lý hoặc dữ liệu lớp con hội tụ (CS).
Hình 3.11– Các giai đoạn truyền PSDU
Lớp con hội tụ đặc trưng dịch vụ (SSCS-Service Specific Convergence Sublayer)
Chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa hai lớp con hội tụ đặc trưng dịch vụ : Lớp con hội tụ ATM được định nghĩa cho các dịch vụ ATM, lớp con hội tụ gói được định nghĩa cho các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet, và mạng nội hạt ảo (VLAN).
Nhiệm vụ cơ bản của lớp con hội tụ là phân loại các đơn vụ dữ liệu dịch vụ (SDU) đến kết nối MAC thích hợp, duy trì hoặc cho phép QoS, và cho phép cấp phát băng thông. Mapping theo các dạng khác nhau phụ thuộc vào loại dịch vụ.
Lớp con hội tụ cũng có thể thực hiện nhiều chức năng phức tạp như nén mào đầu tải trọng để nâng cao hiệu quả liên kết vô tuyến.
ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM. ATM CS nhận các cell ATM từ lớp ATM, thực hiện phân loại và nén mào đầu tải trọng (PHS), sau đó chuyển CS PDU đến MAC SAP phù hợp.
Lớp con hội tụ gói (Packet CS)
Packet CS được sử dụng cho mapping tất cả các giao thức dựa trên gói như Ethernet, giao thức điểm tới điểm (PPP) và cả giao thức Internet IPv4 và IPv6.
Lớp con hội tụ phần chung MAC (CPS)
MAC CPS là trung tâm của chuẩn. Nó cung cấp cơ chế cho truy cập hệ thống, cấp phát băng thông, và duy trì kết nối. CPS MAC nhận dữ liệu từ các CS khác thông qua MAC SAP, được phân loại đến các kết nối MAC cụ thể. Quyết định QoS cho kế hoạch truyền dẫn được thực hiện.
Nhìn chung, 802.16 MAC được thiết kế để hỗ trợ kiến trúc điểm nối đa điểm với BS ở trung tâm, xử lý nhiều sector độc lập đồng thời. Trên đường xuống, dữ liệu đến SS được ghép kênh theo kiểu TDM. Đường lên được chia sẻ giữa các SS theo kiểu TDMA.
Mỗi SS có một địa chỉ MAC 48 bit tiêu chuẩn, nhưng nó phục vụ chủ yếu như một nhận dạng thiết bị, khi đó địa chỉ được sử dụng chủ yếu suốt quá trình hoạt động là CID. Nhờ đi vào mạng, SS được ấn định 3 kết nối quản lý trong mỗi hướng. Ba kết nối này phản chiếu ba yêu cầu QoS khác nhau được sử dụng bởi các cấp độ quản lý khác nhau.
Các kết nối quản lý là: cơ sở, sơ cấp và thứ cấp. Trong đó cơ sở sử dụng cho truyền tải, điều khiển liên kết vô tuyến; còn sơ cấp liên quan đến thiết lập nhận thực và kết nối; kết nối quản lý thứ cấp là các bản tin quản lý dựa trên chuẩn truyền tải như DHCP, TFTP, SNMP.
Yêu cầu và cấp băng thông
của chúng để nhận cấp phát băng thông một cách đơn giản cho một kết nối hoặc cho SS. Cả hai loại SS yêu cầu băng thông trên một kết nối để cho phép thuật toán scheduling đường lên để xem xét QoS một cách chính xác khi cấp phát băng thông. Với loại cấp phát trên một kết nối (GPC) của SS, băng thông được cấp một cách rõ ràng đến một kết nối, và SS sử dụng cấp phát chỉ cho kết nối đó. RLC và giao thức quản lý khác sử dụng băng thông được cấp phát một cách rõ ràng đến các kết nối quản lý.
Với loại CPSS, các SS được cấp băng thông tập hợp thành một cấp phát đơn đến chính SS đó. GPSS SS cần thông minh hơn trong cách xử lý của QoS. Nó sẽ sử dụng một cách cơ bản băng thông cho kết nối được yêu cầu nhưng không cần. Cho ví dụ, nếu tình huống QoS ở SS đã thay đổi kể từ yêu cầu cuối cùng, SS có tuỳ chọn việc gửi dữ liệu QoS cao hơn cùng với một yêu cầu để thay thế việc trộm băng thông này từ một kết nối QoS thấp hơn. SS cũng có thể sử dụng vài băng thông để phản ứng nhanh hơn việc thay đổi các điều kiện môi trường bằng việc gửi đi các thông điệp.
Sự thu nhận kênh
Đầu tiên SS sẽ quét danh sách tần số của nó để tìm một kênh hoạt động. Nó được lập trình để đăng kí với một BS được chỉ rõ, chuyển broadcast BS ID được lập trình bởi mỗi BS.
Sau khi quyết định kênh hoặc đôi kênh để thử truyền thông, SS cố gắng đồng bộ truyền dẫn đường xuống bởi việc dò tìm mở đầu khung định kỳ. Một khi lớp vật lý được đồng bộ, SS sẽ tìm kiếm thông điệp DCD và UCD broadcast một cách định kỳ, các thông điệp này cho phép SS biết cách điều chế và sơ đồ FEC được sử dụng trên sóng mang.
SS hiểu các thông số sử dụng cho truyền dẫn khởi đầu của nó, SS sẽ quét các thông điệp UL-MAP trình bày trong mỗi khung. SS sử dụng thuật toán trở truncated exponential back off để xác định khe khởi đầu, nó sẽ sử dụng để gửi thông điệp yêu cầu chuông. SS sẽ gửi cụm (burst) bằng cách sử dụng công suất nhỏ nhất và sẽ cố gắng một lần nữa với việc gia tăng công suất truyền dẫn
cao hơn nếu nó không nhận một đáp ứng chuông.
Dựa trên thời gian yêu cầu khởi tạo chuông và công suất được đo của tín hiệu, BS lệnh cho việc định thời và điều chỉnh công suất đến SS trong đáp ứng chuông. Đáp ứng cũng cung cấp SS với CID quản lý cơ sở và chủ yếu. Định thời của truyền dẫn SS đã được xác định một cách chính xác.
Tất cả truyền dẫn lên đến điểm này được làm bằng việc sử dụng thiết thực nhất, và do đó hiệu suất thấp nhất. Để tránh lãng phí dung lượng, SS thông báo tiếp theo khả năng PHY của nó, bao gồm sơ đồ điều chế và mã hoá nó hỗ trợ, trong một hệ thống FDD, nó là bán song công hoặc song công hoàn toàn.
Nhận thực và đăng kí SS
Mỗi SS sẽ có một chứng nhận số X.509 được cài đặt và chứng nhận của nhà sản xuất. Các chứng nhận này thiết lập một liên kết giữa địa chỉ MAC 48 bit của SS và khoá RSA công cộng của nó, được gửi tới BS bởi SS trong các thông điệp yêu cầu nhận thực và thông tin nhận thực. Mạng có thể kiểm tra đặc tính của SS bằng cách kiểm tra chứng nhận và sau đó có thể kiểm tra mức độ cho phép của SS. Nếu SS được cho phép để tham gia vào mạng, BS sẽ trả lời yêu cầu của nó với hồi đáp cho phép bao gồm một khoá cho phép (AK) được mật mã với khoá công cộng và được sử dụng để bảo mật các thực hiện xa hơn nữa.
Nhờ sự cho phép thành công, SS sẽ đăng kí với mạng. Mạng sẽ thiết lập kết nối quản lý thứ cấp của SS và khả năng xác định liên quan đến việc thiết lập kết nối và hoạt động MAC. Phiên bản của IP được sử dụng trên kết nối quản lý thứ cấp cũng được xác định suốt quá trình đăng kí.
Kết nối IP
Sau khi đăng kí, SS đạt đến một địa chỉ IP thông qua DHCP và thiết lập thời gian của ngày thông qua giao thức thời gian Internet. DHCP server cũng cung cấp địa chỉ của TFTP server, từ đó SS có thể yêu cầu một file cấu hình. File này cung cấp một giao tiếp chuẩn cho việc cung cấp thông tin cấu hình đặc trưng người bán.
Lớp con bảo mật
Lớp con bảo mật nằm giữa lớp MAC CPS và PHY. Nó cung cấp cho thuê bao với bảo mật xuyên qua mạng không dây băng rộng cố định. Nó làm điều này bằng các kết nối mật mã hoá giữa SS và BS. Hơn nữa, Bảo mật được sử dụng cho nhận thực và trao đổi khoá bảo vệ.
Giao thức bảo mật của IEEE 802.16 được dựa trên giao thức quản lý khoá bảo mật (PKM) của chuẩn DOCSIS BPI+ nhưng đã được nâng cấp để phù hợp một cách liên tục vào giao thức IEEE 802.16 MAC và để thích nghi tốt hơn các phương pháp mật mã chắc chắn, như chuẩn mật mã hoá tiến bộ được phê chuẩn gần đây.
Liên kết bảo vệ
PKM được xây dựng xung quanh khái niệm liên kết bảo vệ (SA). SA là một bộ phương pháp mật mã và tài liệu khoá liên kết; đó là, nó bao gồm thông tin về thuật toán để ứng dụng, khóa để sử dụng và hơn nữa. Mỗi SS thiết lập ít nhất một SA suốt quá trình khởi tạo.
Các phương pháp mật mã
Hiện nay, giao thức PKM sử dụng chứng nhận số X.509 với mật mã khoá công cộng cho trao đổi khoá nhận thực và cho phép SS. Đối với mật mã hoá lưu lượng, Chuẩn mật mã hoá dữ liệu (DES) chạy trên chế độ chuỗi khối mật mã (CBC-Cipher block chaining) với các khoá 56 bit hiện đang được yêu cầu.
Bản thân các thông điệp giao thức PKM được nhận thực bằng cách sử dụng giao thức mã nhận thực thông điệp Hashed (HMAC) với SH-1.
3.8.2 Lớp vật lý (PHY Layer)
Chuẩn lớp vật lý được định nghĩa cho 10-66 GHz sử dụng điều chế đơn sóng mang cụm với profile cụm thích nghi trong các thông số truyền dẫn, bao gồm sơ đồ điều chế và mã hoá, có thể được điều chỉnh riêng lẽ đến mỗi trạm thuê bao (SS) trên cơ sở frame-by-frame. Cả TDD và các biến thể FDD được định nghĩa.
Băng thông kênh 20 MHz hoặc 25 MHz (cấp phát chủ yếu ở Mỹ) hoặc 28 MHz (chủ yếu ở Châu âu) được chỉ rõ. Việc ngẫu nhiên hoá được thực hiện cho dạng phổ và đảm bảo truyền dẫn bit cho việc phục hồi đồng hồ.
Hình 3.12– Burst FDD - với Scheduling linh hoạt
Phát hiện lỗi trước (FEC) được sử dụng là Reed-Solomon GF (256), với kích thước khối thay đổi và khả năng phát hiện lỗi. Nó được ghép với mã xoắn khối bên trong để truyền một cách thiết thực dữ liệu có tính quyết định, như điều khiển khung và các truy cập khởi tạo. Việc lựa chọn FEC được ghép đôi với khoá dịch pha cầu phương (QPSK), điều chế biên độ cầu phương 16 trạng thái (16QAM), và QAM 64 trạng thái (64-QAM) để tạo nên các profile cụm cho việc thay đổi độ mạnh và hiệu suất. Nếu khối FEC cuối cùng không được điền đầy đủ, khối này có thể bị ngắn lại. Việc thu ngắn ở cả đường lên và đường xuống được điều khiển bởi BS và được truyền hoàn toàn trên bản đồ đường lên (UL-MAP) và bản đồ đường xuống (DL-MAP).
Hệ thống sử dụng khung 0.5, 1, hoặc 2 ms được chia thành các khe vật lý cho mục đích cấp phát băng thông và nhận dạng chuyển tiếp PHY. Khe vật lý được xác định là ký tự 4QAM. Trong biến thể TDD của PHY, khung con đường lên theo sau khung con đường xuống trên cùng tần số sóng mang. Trong
biến thể FDD, khung con đường lên và đường xuống trùng nhau về thời gian được mang trên các tần số riêng rẽ nhau.