WiMax (World interoperability Microwave Access) là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16-2004. Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802, với Diễn đàn WiMax. Tổ công tác IEEE 802.16 là người chế định ra tiêu chuẩn còn Diễn đàn WiMax là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16. Diễn đàn WiMax là tổ chức phi lợi nhuận, hỗ trợ và thương mại hóa cong nghệ theo tiêu chuẩn 802.16. Ở đây giới thiệu cơ sở lý luận và WiMax cũng như xem xét các tiêu chuẩn với các mô hình ứng dụng WiMax như là một trong các giải pháp truy cập băng rộng không dây. Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wi-Fi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN, còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network). Mạng WiMax cũng như mạng đô thị hữu tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ các thuê bao trong vòng tới 50km.
Hai mô hình ứng dụng WiMax
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng: - Mô hình ứng dụng cố định
- Mô hình ứng dụng di động
Mô hình ứng dụng cốđịnh (Fixed WiMax)
Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004. Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten cố định đặt tại nhà có thuê bao. Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương ứng như chảo thông tin vệ tinh.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không khẻo bằng anten ngoài trời. Bằng tần công tác (theo quy định và phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5 GHz hoặc 3.5 GHz. Độ rộng bằng tần là 3,5 MHz. Trong mạng cố định, WiMax thực hiện cách tiếp nối không dây đến các moderm cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng mang). WiMax cố định có thể phục vụ cho các loại người dùng (user) như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ
lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS. Về cách phân bố theo địa lý, các user thì có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó. Trong mô hình này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc WiMax BS (làm việc với anten đặt trên tháp cao) và các trạm phụ SS (SubStation). Các trạm WiMax BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN
Hình 7.5: Sơđồ hệ thống mạng WiMax Mô hình ứng dụng WiMax di động
Mô hình WiMax di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiểu chuẩn IEEE 802.16e. Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các user cá nhân di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6 GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng. Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộng tác để thực hiện được mạng viễn thông digital truy nhập không dây có phạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn được các nhu cầu đa dạng của thuê bao. Tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua trong năm 2005.
Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập Internet phổ biến hiện nay như quay số qua Modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng, hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng Wi-Fi. Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc
độ có thể lên đến 8 Mbps nhưng cần có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà không dễ triển khai đối với các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6 Kbps quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép truy cập ở tốc độ đến 171,2 Kbps hay EDGE khoảng 300-400 Kbps cũng chưa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet. Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vượt quá 2Mbps. Với mạng Wi-Fi ( chính là mạng LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. Với thực tế như vậy, WiMax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi.
Hình 7.6: Dựđoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ
Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70 Mbps 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 một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMax gần nhất.
WiMax hoạt động như thế nào
Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi như ở tốc độ và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMax gồm 2 phần: - Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000 km2.
- Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng. Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển. Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2 – 11GHz, tương tự như ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích.
Hình 7.7: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP
Đặc điểm WiMax sử dụng kỹ thuật OFDM để cải thiện hiệu suất đa đường trong
các môi trường không theo tầm nhìn thẳng. OFDMA thay đổi tỉ lệ (S-OFDMA) dùng để hỗ trợ băng thông kênh tỉ lệ từ 1,25 đến 2MHz. WiMax di động phiên bản 1 sẽ bao gồm các băng thông kênh 5; 7; 8,75 và 10MHz dành cho các dải tần được cấp phép trên thế giới như: 2,3GHz; 2,5GHz; 3,3 GHz và 3,5 GHz
- Tốc độ dữ liệu cao: kỹ thuật anten MIMO cùng với các nguyên lý chia nhỏ kênh linh hoạt, mã hóa và điều chế nâng cao, tất cả có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống lên tới 28Mbps cho một sector trong một kênh 10 MHz
- Chất lượng dịch vụ (QoS) là tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC trong IEEE 802.16. Nó định nghĩa luồng dịch vụ mà có thể ánh xạ đến các điểm mã DiffServ hoặc các nhãn luồng để cho phép kết nối đầu cuối tới đầu cuối theo giao thức IP trên cơ sở QoS. Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên cơ sở chia nhỏ kênh và MAP cung cấp cơ chế linh động cho việc lập lịch tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện vô tuyến theo khung.
- Tính mềm dẻo: Tài nguyên phổ cho băng rộng không dây được cấp phát khác nhau. Vì vậy công nghệ WiMax di động thiết kế để có thể linh hoạt để hoạt động trong các kênh khác nhau từ 1,25 đến 20 MHz thỏa mãn các yêu cầu trên toàn cầu. - Khả năng bảo mật: các đặc tính bảo mật trong WiMax di động là tốt nhất trong lớp với sự xác thực trên theo EAP, mã hóa được xác thực theo AES-CCM, các nguồn bảo vệ bản tin điều khiển theo CMAC và HMAC. Các xác thực cho một tập các người dùng đang tồn tại bao gồm: thẻ SIM/USIM, các thẻ thông minh, các chứng chỉ số, các nguyên lý Username/password theo các phương pháp EAP tương ứng cho kiểu nhận thực.