Bảng tính năng lƣợng liên kết là một bảng bao gồm tất cả các thông số tăng ích và suy hao (theo kinh nghiệm) của tín hiệu radio giữa bên phát và bên thu. Bảng tính năng lƣợng liên kết sử dụng trong luận văn này đƣợc tính toán trong bảng 3.7.
Thành phần hệ thống Tăng ích
Năng lƣợng phát ra từ trạm phát (dBm) Suy hao truyền dẫn trong máy phát (dB) Tăng ích của anten của máy phát (dBi)
Năng lƣợng phát xạ hiệu quả (dBm)
25 -2 14
37
Độ dài đƣờng truyền (km)
Suy hao đƣờng truyền trung bình (dB)
Suy hao xuyên qua Cây cối / Công trình xây dựng (dB)
Tổng suy hao đƣờng truyền trung bình (dB)
1 -120
-7
-127
Tăng ích anten máy thu (dBi)
Suy hao truyền dẫn trong máy thu (dB)
Mức tín hiệu trung bình tại đầu vào máy thu (dBm)
18 -2
-74
Dự trữ fading (dB)
Độ nhạy máy thu (QPSK 1/2) Dự trữ (QPSK 1/2)
10 -84
0
Bảng 3.7: Bảng tính năng lượng liên kết cơ bản
Mức tín hiệu phát ra lớn nhất phụ thuộc vào sự quy định của từng địa phƣơng. Mức năng lƣợng đỉnh tối đa có thể truyền cho thiết bị TDMA ở dải tần số 3,3 GHz là 35dBm (ETSI EN 301 021). Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) của phƣơng pháp điều biến OFDM làm cho năng lƣợng trung bình trở nên thấp hơn. Ở đây, một tỷ lệ PAPR đƣợc giả định là 10dBm. Suy hao truyền dẫn trong máy phát và máy thu bao gồm suy hao đƣờng dây truyền dẫn và những suy hao khác giữa sóng radio và anten.
Hệ số tăng ích anten phát phụ thuộc chủ yếu vào góc mở của anten. Trong luận văn này giả định rằng anten dùng cho mỗi sector tại BS có góc mở là 600
và 1200, có hệ số tăng ích lần lƣợt là 17dBi và 14dBi. Anten của CPE là anten định hƣớng ngoài trời (outdoor) hay omni - định hƣớng trong nhà (indoor) với hệ số tăng ích lần lƣợt là 18dBi và 6dBi.
Suy hao đƣờng truyền giữa anten máy phát và máy thu phụ thuộc vào tần số phát, độ dài đƣờng truyền và hoàn cảnh môi trƣờng của liên kết ví dụ nhƣ: loại địa hình, loại và mật độ nhà cửa trong khu vực, độ cao anten. Trong luận văn này, suy hao đƣờng truyền trung bình đƣợc tính toán theo công thức (3.3). Trong trƣờng hợp anten thu đƣợc đặt trong nhà thì phải tính đến suy hao tín hiệu khi xuyên qua toà nhà.
Độ nhạy máy thu phụ thuộc vào mức năng lƣợng nhiễu của máy thu và yêu cầu mức SNR cho các phƣơng pháp điều chế và mã hoá khác nhau. Đặc tả IEEE Std 802.16a chia các hệ thống dựa trên OFDM theo các cấp độ nhƣ sau:
Độ rộng băng tần (MHz) QPSK 16 - QAM 64 - QAM 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 1,75 -90 -87 -83 -81 -77 -75 3,5 -87 -85 -80 -78 -74 -72 7 -84 -82 -77 -75 -71 -69 14 -81 -79 -74 -72 -68 -66
Bảng 3.8: Mức độ nhạy nhỏ nhất của máy thu (dBm) (IEEE 802.16-2004)
3.9.1.2. Mối quan hệ giữa độ dự trữ fading với sự sẵn sàng cung cấp dịch vụ
Độ dự trữ fading đóng vai trò chìa khoá trong việc tính toán bảng tính năng lƣợng liên kết. Nó phụ thuộc vào yêu cầu về sự phủ sóng kín diện tích phục vụ và độ tin cậy của ngƣời điều hành hệ thống. Ví dụ nhƣ yêu cầu dịch vụ phải đƣợc cung cấp tới 90% diện tích của cell với độ tin cậy 99,9%. Khi yêu cầu phủ sóng kín diện tích tăng lên, dự trữ fading cũng tăng theo, và phạm vi của một cell BS nhỏ đi.
3.9.1.3. Phạm vi của BS - FBWA ở dải tần 3,3 GHz
Sử dụng mô hình suy hao đƣờng truyền nhƣ công thức 3.3, chúng ta có thể tính đƣợc “bảng tính năng lƣợng kiên kết” cho dải tần xấp xỉ 3,3 GHz FBWA. Kết quả thu thập đƣợc đƣa ra trong bảng 3.9:
Loại anten CPE Ngoài trời (200
, 18dBi) Trong nhà (3600, 6dBi)
Yêu cầu phủ sóng 90% 99% 90% 99% Đô thị, Ngoại ô
Loại A (Đồi núi, cây to) 0,90km 0,53km 0,31km 0,18km
Loại B ( Mức giữa) 1,19km 0,70km 0,37km 0,22km
Loại C (bằng phẳng, ít cây) 1,97km 1,22km 0,57km 0,36km
Khu vực nông thôn thƣa thớt
Tầm nhìn thẳng 60,8km 60,8km - -
Tầm nhìn thẳng với nhiều cây cối (15,7 dB dự trữ suy hao)
10km 10km - -
Bảng 3.9: Phạm vi cell trong các điều kiện môi trường truyền sóng khác nhau
Nhƣ đã trình bày trên bảng 3.9, loại anten của CPE tác động rất lớn đến vùng phủ sóng có thể đạt đƣợc của 1 cell. Trong phép cộng hệ số tăng ích nhỏ hơn 12 dBi, suy hao xuyên qua toà nhà thƣờng đƣợc giả định là 10 dBi trong các phép tính, điều này dẫn đến phạm vi cell nhỏ đi. Trong trƣờng hợp anten CPE đặt trong nhà, vùng phục vụ của 1 cell nhỏ hơn 3 đến 4 lần so với anten đặt ngoài trời.
Ảnh hƣởng của yêu cầu phủ sóng cũng đƣợc đƣa ra trong bảng 3.9. Khi tăng yêu cầu phủ kín từ 90% lên 99% thì vùng phục vụ giảm đi 40%.
Theo những tính toán trên ta có thể đưa ra kết luận về vùng phục vụ áp dụng tại Việt Nam đối với từng loại khu vực như sau:
- Khu vực đô thị và ngoại ô: Vùng phục vụ là 0,5km với loại anten đặt trong nhà và 1,5km với anten của CPE đặt ngoài trời.
- Khu vực dân cƣ thƣa thớt: Vùng phục vụ là 10km cho cả hai loại anten của CPE đặt trong và ngoài nhà.
3.9.2. Lên kế hoạch tần số và chỉ định kênh
Mục đích của việc lên kế hoạch tần số là để đƣa ra số kênh tần số lớn nhất có thể dùng trong một khu vực đặt trạm gốc (base station sectors) để đạt đƣợc mức
nhiễu nhỏ nhất trong mỗi cell. Bởi vì mạng FBWA có cấu trúc tế bào, nên việc lên kế hoạch tần số cũng giống nhƣ các mạng tế bào khác ví dụ nhƣ GSM.
Khi gán các tần số cho các vùng phủ sóng của trạm gốc, 2 kênh tần số đƣợc sử dụng cho mỗi trạm gốc. Khi có 4 vùng phủ sóng trong một trạm gốc, hệ số sử dụng lại tần số là 2. Khi trạm gốc có 6 vùng phủ sóng hệ số sử dụng lại tần số là 3. Hình 3.22 trình bày mẫu sử dụng lại tần số cho BS có 6 hoặc 4 vùng phủ sóng.
Hình 3.22: Mô hình sử dụng lại tần số sử dụng 8 kênh tần số
3.10. VẤN ĐỀ BẢO MẬT TRONG WIMAX [9, 21, 27] 3.10.1. Kiến trúc bảo mật 802.16 3.10.1. Kiến trúc bảo mật 802.16
Bảo mật dữ liệu trong 802.16 đƣợc bổ sung nhƣ một lớp con bảo mật ở đáy của phân lớp bên trong của giao thức MAC. Mục tiêu của nó là để cung cấp khả năng bảo vệ đối với truyền dẫn không gian, ngăn chặn đánh cắp dịch vụ. Giao thức sử dụng nhiều khoá khác nhau khi thiết lập một sự mã hoá bảo mật. Chúng đƣợc tổng hợp lại trong bảng 3.10 (Xem trang bên).
Kiến trúc bảo mật 802.16 được chia thành hai giao thức thành phần sau :
Giao thức Encapsulation (đóng gói) cho mật mã các gói dữ liệu. Giao thức này định nghĩa một tập các bộ mật mã (tập các phƣơng thức cho mật mã dữ liệu, nhận thực dữ liệu và trao đổi TEK) và nguyên tắc áp dụng các thuật toán này tới các
gói. Chỉ payload MAC PDU đƣợc mật hóa, còn header MAC không đƣợc mật hóa. Các bản tin quản lý MAC đƣợc gửi trong điều kiện không mật hóa để thuận tiện hoạt động mạng.
Giao thức quản lý khóa để bảo đảm phân phát dữ liệu khóa từ BS tới MS. Thông tin đƣợc trao đổi trong giao thức bao gồm các điều kiện để truy nhập vài dịch vụ mạng. MS sử dụng giao thức PKM để yêu cầu tài liệu khóa từ BS và hỗ trợ cấp phép lại định kỳ, làm mới khóa.
Khoá Đƣợc tạo ra bởi Đƣợc sử dụng cho Thời gian tồn tại Thuật toán Cặp khoá công khai / bảo mật Nhà sản xuất - Nhận thực SS
- Trao chuyển AK Lâu dài RSA
AK BS
- Tạo ra các KEK - Tính toán các HMAC digest
- Kiểm tra các HMAC digest nhận đƣợc
1 đến 70 ngày 3 - DES, SHA - 1
KEK BS, SS
- Mã hoá TEK cho việc truyền dẫn (BS)
- Giải mã TEK để sử dụng (SS)
Giống AK 3 - DES
TEK BS Mã hoá lƣu lƣợng số
lƣợng
30 phút tới
7ngày DES
Bảng 3.10: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16a
3.10.2. Các liên kết bảo mật (SA)
Một liên kết bảo mật (SA) là tập thông tin bảo mật, một BS và một hay nhiều MS của nó chia sẻ để hỗ trợ bảo mật liên lạc qua mạng IEEE 802.16. Có ba loại SA đƣợc định nghĩa: sơ cấp, tĩnh, và động. Mỗi MS có thể quản lý thiết lập một liên kết
bảo mật sơ cấp trong quá trình khởi tạo. Các SA tĩnh đƣợc dự trữ ở BS. Các SA động đƣợc thiết lập và đƣợc loại bỏ động, đáp ứng cho khởi tạo và kết thúc của các luồng dịch vụ cụ thể. BS có thể thiết lập động các SA bằng cách đƣa ra một bản tin thêm SA. Vào lúc nhận một bản tin thêm SA, MS sẽ khởi động một cơ cấu trạng thái cho mỗi SA đƣợc liệt kê trong bản tin. Các SA tĩnh và động có thể đƣợc chia sẻ bởi nhiều MS.
Thông tin đƣợc chia sẻ của một MS sẽ chứa bộ mật mã (tập các phƣơng thức cho mật mã dữ liệu, nhận thực dữ liệu và trao đổi TEK) đƣợc dùng trong SA. Thông tin đƣợc chia sẻ có thể chứa các TEK và các vetor khởi tạo. SA đƣợc xác định sử dụng các SAID 16 bit. Mỗi MS có thể quản lý sẽ thiết lập một SA sơ cấp dành riêng với BS của nó. SAID của bất kỳ SA sơ cấp nào của SM sẽ giống CID cơ bản của MS đó.
3.10.2.1. Những thành phần của SA
Một SA bao gồm các thông tin sau:
o Định danh SA 16 bit (SAID).
o Một thuật toán mật mã để bảo vệ dữ liệu đƣợc trao đổi qua kết nối. Chuẩn sử dụng DES ở chế độ CBC, AES ở chế độ CCM.
o Hai khóa mật mã lƣu lƣợng (TEK) để mật mã dữ liệu: một khóa hoạt động hiện tại và một TEK dùng khi khóa hiện tại hết hiệu lực.
o Hai định danh khóa 2 bit, mỗi định danh tƣơng ứng với một TEK.
o Thời gian tồn tại TEK. Giá trị mặc định cho tham số này là một nửa ngày và giá trị nhỏ nhất là 30 phút, lớn nhất là 7 ngày.
o Một vector khởi tạo 64 bit cho mỗi TEK.
o Một chỉ số loại SA dữ liệu. Các SA sơ cấp đƣợc thiết lập trong suốt quá trình khởi tạo kết nối. Các SA tĩnh đƣợc tạo ra ở BS, và các SA động đƣợc tạo ra khi cần thiết cho các kết nối vận chuyển động.
3.10.2.2. Ánh xạ các kết nối tới SA
Tất cả các kết nối vận chuyển sẽ đƣợc ánh xạ tới một SA hiện tại. Các kết nối multicast có thể đƣợc ánh xạ tới bất cứ SA tĩnh hoặc động.
Kết nối quản lý thứ cấp sẽ đƣợc ánh xạ tới SA sơ cấp. Các kết nối quản lý khác sẽ không đƣợc ánh xạ tới một SA.
Ánh xạ thực tế đạt đƣợc bằng cách tính đến SAID của một SA hiện tại trong các bản tin DSA-xxx cùng với CID.
3.10.3. Chứng nhận số X.509
Các chứng nhận này đƣợc sử dụng cho nhận dạng các bên tham gia liên lạc. Profile chứng nhận đƣợc định nghĩa trong chuẩn bao gồm các thông tin sau:
Phiên bản cấu thành chứng nhận (Certificate format version). Số serial chứng nhận (Certificate serial number)
Tên những ngƣời đƣa ra chứng nhận (Certificate issuers name) Tính hiệu lực của chứng nhận (Validity of the certificate).
Nhận dạng những ngƣời giữ chứng nhận (Certificate holders identity), địa chỉa MAC của MS .
Khóa công khai những ngƣời giữ chứng nhận (Certificate holders public key).
Thuật toán chữ ký của ngƣời đƣa ra và ngƣời giữ (Signature algorithm of the issuer & holder).
Định danh thuật toán chữ ký (Signature algorithm identifier).
Chữ ký của ngƣời có thẩm quyền chứng nhận (Signature of the certifying authority). Chuẩn định nghĩa một chứng nhận các nhà sản xuất và một chứng nhận MS. BS sử dụng khóa công khai chứng nhận nhà sản xuất để thẩm định chứng nhận MS. Mô hình giả thiết rằng MS lƣu trữ khóa riêng tƣ trong bộ lƣu trữ đóng kín.
3.10.4. Đánh giá khả năng bảo mật và ứng dụng tại Việt Nam
Bởi vì lớp con bảo mật ở phía trên, lớp vật lý không đƣợc bảo mật. WiMAX có thể bị tấn công tới lớp vật lý. Các tấn công nhƣ là jamming và scrambling.
Jamming đạt đƣợc bởi việc đƣa ra một nguồn nhiễu đủ mạnh để làm giảm đáng kể dung lƣợng kênh. Nó có thể do khách quan hay chủ quan. Thông tin và thiết bị yêu cầu để thực hiện Jmaming thì không khó khăn để đạt đƣợc.
Khả năng phục hồi với jamming có thể tăng lên bằng cách tăng công suất tín hiệu hoặc tăng dải thông tín hiệu sử dụng các công nghệ trải rộng, nhƣ trải phổ nhảy tần hoặc trải phổ dãy trực tiếp.
Scrambling là một phần của jamming, nhƣng khoảng thời gian ngắn và hƣớng vào các khung cụ thể hoặc các phần của khung. Các bộ xáo trộn âm Scrambler có thể chọn lựa xáo trộn thông tin điều khiển hoặc quản lý với mục đích gây ảnh hƣởng tới hoạt động bình thƣờng của mạng.
Tại Việt Nam, khi triển khai và ứng dụng WiMax/802.16 thì cần phải chú trọng về vấn đề bảo mật và là yếu tố đặt lên hàng đầu. Bởi thực tế đã cho thấy, nếu bảo mật của bất kỳ một hệ thống nào không được đảm bảo thì sẽ khó có thể ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên với WiMax thì chuẩn 802.16 đã quy định rất chặt chẽ vấn đề bảo mật và hoàn toàn có thể ứng dụng rộng rãi cho các loại hình dịch vụ khác nhau.
3.11. HỆ THỐNG ANTEN TRONG WIMAX [6, 7, 24]
Việc lựa chọn anten ảnh hƣởng lớn tới công suất và độ bao phủ của các hệ thống không dây cố định. Việc lựa chọn này đƣợc dựa trên tần số hiệu dụng (Efficitent Frequency), dải thông và các đặc tính định hƣớng của anten.
3.11.1. Các đặc tính và tham số của anten
Đối với ngƣời thiết kế hệ thống, các đặc tính quan trọng nhất của anten là mô hình phát xạ (radiation pattern), đặc tính định hƣớng (directivity), hệ số tăng ích (gain), dải thông (bandwidth) và độ phân cực (polarization).
Đặc tính định hƣớng của anten đƣợc sử dụng để xác định khả năng tập trung năng lƣợng của anten vào một hƣớng cụ thể khi truyền và loại bỏ năng lƣợng không mong muốn đến từ các hƣớng khác khi nhận. Hệ số định hƣớng của anten là một hƣ số biểu thị mật độ công suất bức xạ của anten ở hƣớng và khoảng cách đã cho, lớn
hơn bao nhiêu lần mật độ công suất bức xạ cũng ở khoảng cách nhƣ trên khi giả thiết anten bức xạ vô hƣớng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong hai trƣờng hợp.
Hình 3.23: Hình dạng của chùm sóng (Beam Shaping)
Hệ số tăng ích là đặc tính thƣờng đƣợc sử dụng nhất của anten. Tăng ích thu và phát của anten là khả năng đƣa năng lƣợng cao tần (RF) theo một hƣớng xác định , hoặc thu năng lƣợng từ một hƣớng xác định. Tăng ích của anten là độ chênh lệch mật độ công suất ở điểm trƣờng xa giữa anten đang xét và mật độ công suất cũng tại điểm đó nhƣng đã đƣợc thay thế bằng một anten bức xạ đồng đều theo mọi hƣớng. Tăng ích của anten phụ thuộc chủ yếu vào tần số làm việc và bán kính của nó. Thông thƣờng ngƣời ta chỉ đƣa ra hệ số tăng ích cực đại của anten đƣợc đƣa ra và đƣợc biểu diễn bằng dBi. Độ rộng chùm tia (Beamwidth) của một anten là góc mà cƣờng độ năng lƣợng phát xạ giảm xuống bằng một nửa giá trị cực đại.
Hƣớng của trƣờng điện từ đƣợc định nghĩa là độ phân cực của sóng điện từ. Sóng điện từ có thể có phân cực thẳng (dọc hoặc ngang), phân cực tròn hoặc phân cực elip, mỗi loại phân cực có các đặc tính phản xạ khác nhau. Đối với các hệ thống truyền trong tầm nhìn thẳng, sự phân cực cho phép nhân đôi công suất của hệ thống mà không cần thêm dải thông hay điều chế năng suất cao (Efficient Modulation.)