Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX đƣợc chia thành 4 lớp:
- Lớp con hội tụ CS: có nhiệm vụ giao tiếp giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên - Lớp MAC: đây là lớp đa truy nhập của hệ thống
- Lớp con bảo mật cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa. - Lớp vật lý
Các lớp này tƣơng đƣơng với hai lớp dƣới của mô hình OSI và đƣợc tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên nhƣ mô tả ở hình dƣới đây [6]:
29
Hình 1. 7. Mô hình phân lớp trong WiMAX
1.3.3.1 Lớp vật lý (PHY)
Lớp vật lý trong chuẩn 802.16-2004 có bốn đặc tả:
- Đặc tả SC (Single Carrier): Sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin. Đặc tả này đƣợc chuẩn hóa từ 802.16 ban đầu.
- Đặc tả SCa: Đặc tả này cũng sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin nhƣng nó có thêm một số cải tiến. Đặc tả này đƣợc chuẩn hóa từ 802.16a.
- Đặc tả OFDM: Đặc tả OFDM dựa trên nền công nghệ OFDM cho phép truyền thông tin trên nhiều sóng mang khác nhau. Đặc tả này đƣợc chuẩn hóa từ 802.16a. - Đặc tả OFDMA: Đặc tả OFDMA cũng dựa trên nền công nghệ OFDM nhƣng nó hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo sóng mang.
1.3.3.2 Lớp MAC
Lớp con hội tụ CS
Khái niệm CID: Một kết nối đƣợc hiểu là một ánh xạ từ MAC-BS tới MAC-SS với mục đích vận chuyển lƣu lƣợng của một loại dịch vụ. Mỗi kết nối đƣợc xác định bởi
30
một CID là viết tắt của chữ Connection Identifier, có độ dài 16bit. Lớp con hội tụ CS thi hành một số các chức năng nhƣ nhận các PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ mà xử lí các PDU,phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP thích hợp. Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU, ánh xạ nó vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS. Để đảm bảo thực hiện đƣợc điều này, lớp CS có thể sử dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí. Hiện tại chỉ có hai định nghĩa đƣợc đƣợc cung cấp trong 802.16:
ATM CS và Packet CS. ATM CS đƣợc định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS đƣợc định nghĩa cho các dịch vụ gói nhƣ Ipv4, Ipv6, Ethernet, VLAN … ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lí, phân lớp dịch vụ và phân phối nó xuống lớp dƣới.
Packet CS phân lớp các loại MAC SDU vào kết nối thích hợp, gỡ, thêm các tiêu đề, phân phối dữ liệu đến lớp con MAC, nhận dữ liệu từ lớp con MAC rồi xử lí.
Các MAC SDU sẽ đƣợc phân loại bằng cách ánh xạ nó vào một kết nối riêng, điều đó cũng có nghĩa là MAC SDU sẽ đƣợc ánh xạ vào một luồng dịch vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng. Hình 1.3 thể hiện quá trình phân loại MAC SDU [6].
31
Hình 1. 8. Quá trình phân loại MAC SDU
Lớp con MAC
Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thƣờng có mấy dạng kiến trúc là P2P, PMP và Mesh.
- Kiến trúc P2P xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối xảy ra giữa từng cặp BS, SS.
- Kiến trúc PMP là sẽ có một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau. So với P2P thì PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu suất tốt nhƣng phạm vi bao phủ
32
thƣờng hẹp hơn nhiều. Kiến trúc PMP trong triển khai thƣờng đƣợc tổ chức thành các vùng (sector) và nó hỗ trợ tốt trong truyền thông multicast.
Mặc dù 802.16- 2004 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhƣng PMP là kiến trúc đƣợc quan tâm nhất. Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS. Trên đƣờng xuống (downlink), dữ liệu đƣa tới SS đƣợc hợp kênh theo kiểu TDM. Các SS chia sẻ đƣờng lên theo dạng TDMA.
- Kiến trúc Mesh là kiến trúc mà bao giờ cũng có một đƣờng liên kết giữa hai điểm bất kì.
MAC 802.16 theo kiểu hƣớng kết nối (connection-oriented). Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch vụ không kết nối (connectionless) cố hữu, đƣợc ánh xạ tới một kết nối. Điều đó cung cấp một cơ chế cho yêu cầu dải thông, việc kết hợp QoS và các tham số về lƣu lƣợng, vận chuyển và định tuyến dữ liệu đến lớp con quy tụ thích hợp và tất cả các hoạt động khác có liên quan đến điều khoản hợp đồng của dịch vụ. Các kết nối đƣợc tham chiếu đến các CID 16-bit (16-bit connection identifier) và có thể yêu cầu liên tiếp dải thông đƣợc cấp phát hay dải thông theo yêu cầu.
- Đánh địa chỉ và kết nối
Mỗi SS sẽ có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48bit, giống nhƣ đƣợc định nghĩa trong 802 nói chung. Địa chỉ này là duy nhất cho thiết bị trên toàn thế giới. Nó đƣợc sử dụng trong quá trình khởi tạo kết nối. Nó cũng có thể đƣợc dùng để chứng thực giữa BS và SS với nhau. Lúc vào mạng, SS đƣợc gán ba kết nối quản lý (management connection) cho mỗi hƣớng (Uplink hoặc Downlink). Ba kết nối này phản ánh ba yêu cầu QoS khác nhau đƣợc sử dụng cho ba mức quản lý khác nhau giữa BS và SS. Kết nối đầu tiên là kết nối cơ sở (basic connection) đƣợc dùng để truyền các thông điệp ngắn, “time-critical MAC” và RLC (radio link control). Kết nối quản lý sơ cấp (primarymanagement connection) đƣợc sử dụng để truyền các thông điệp dài hơn, chịu trễ nhiều hơn nhƣ những gì đƣợc sử dụng để chứng thực và cài đặt kết nối. Kết nối quản lý thứ cấp đƣợc sử dụng để truyền các thông điệp quản lý dựa trên cơ sở các chuẩn nhƣ DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol),
33
TFTP (Trivial File Transfer Protocol) và SNMP (Simple Network Management Protocol). Ngoài những kết nối quản lý này, các SS đƣợc cấp phát các kết nối vận chuyển (transport connection) cho các dịch vụ đã ký hợp đồng. Những kết nối vận chuyển theo một hƣớng duy nhất đơn giản hoá các tham số QoS đƣờng lên và đƣờng xuống khác nhau và các tham số lƣu lƣợng. Ngoài ra MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung cho những mục đích khác nhƣ sự truy nhập lúc khởi đầu trên cơ sở cạnh tranh, sự truyền quảng bá (broadcast) cho đƣờng xuống hoặc sự kiểm tra tuần tự (polling).
- Định dạng MAC PDU
MAC PDU là đơn vị dữ liệu đƣợc dùng để trao đổi thông tin giữa các lớp MAC của BS và SS. MAC PDU có hai dạng, dạng thông thƣờng và dạng yêu cầu băng thông. MAC PDU thông thƣờng bắt đầu bởi một tiêu đề có chiều dài cố định.
Tiếp theo là tải (payload), tải có độ dài thay đổi, chính vì vậy mà MAC PDU cũng có chiều dài thay đổi. Và cuối cùng là mã CRC. MAC PDU yêu cầu băng thông thì chỉ có phần tiêu đề mà thôi. Hình dƣới đây mô tả dạng của MAC PDU.
Mỗi MAC PDU bao gồm phần tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải, tải thông thƣờng bao gồm các tiêu đề con (subheader) và MAC SDU. Tải cũng có thể có độ dài bằng 0 trong trƣờng hợp đó là MAC PDU dùng để yêu cầu băng thông. CRC (Cyclical Redundancy Checking) là mã vòng kiểm soát lỗi cho cả phần header và payload trong MAC PDU tƣơng ứng với nó. CRC chỉ đƣợc gắn vào MAC PDU khi đó là MAC PDU thông thƣờng (chứa thông tin quản lý hoặc dữ liệu). Nhƣ vậy, MAC PDU yêu cầu băng thông không đƣợc bảo vệ bằng CRC.
1.3.3.3 Lớp con bảo mật
Khác với các chuẩn không dây băng rộng khác, 802.16- 2004 thiết kế hẳn một lớp con bảo mật, lớp này làm cung cấp các cơ chế điều khiển truy nhập tin cậy, đảm bảo an toàn cho dữ liệu trên đƣờng truyền. 802.16 chống lại việc truy cập trái phép các dịch vụ bằng việc mã hóa các luồng dịch vụ. Nó có các giao thức quản lí khóa tại BS để thực hiện chứng thực và cấp phát các khóa tới SS cần thiết. Trong quá trình thƣơng lƣợng về bảo mật giữa SS và BS, nếu một SS không cung cấp các cơ chế
34
bảo mật của 802.16-2004 thì các bƣớc chứng thực và cấp phát khóa sẽ đƣợc bỏ qua. BS nếu chấp nhận điều đó thì sẽ vẫn cho phép SS đƣợc truyền dữ liệu, ngƣợc lại BS sẽ không cho phép. Chỉ có hai loại kết nối đƣợc bảo vệ trong 802.16-2004 là các kết nối vận chuyển và kết nối thứ cấp. Các kết nối quản lí, điều khiển khác không cần phải bảo vệ.