Chuẩn 802.16-2004 còn được gọi là IEEE 802.16d, chuẩn này được công bố vào ngày 24 tháng 4 năm 2004 và được công bố tháng 9 năm 2004, hay còn biết đến với cái tên chuẩn 802.16- Revd. Chuẩn 802.16-2004 chính là sự thống nhất của chuẩn 802.11-2002, 802.16a-2003 và 802.16c-2002 tạo lên một chuẩn mới. Ban đầu nó được xem như là một sự xem xét sửa đổi những chuẩn trước đó
nhưng những thay đổi mới nay đã hình thành lên 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, nó đem lại sự tiện lợi lớn cho người sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD) và còn đối với 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.
1.2.4.5 Chuẩn 802.16e và mở rộng
IEEE 802.16e chuẩn mở rộng từ 802.16a có thể hỗ trợ các thuê bao di dộng, được thông qua vào ngày 7 tháng 12 năm 2005, phổ tần số thấp hơn 6GHz. Không đòi hỏi tầm nhìn thẳng, kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequence Division Multiplexing Access), tốc độ truyền cực đại dưới 75Mbps với băng tần 20GHz, bán kính vùng phủ sóng của một cell là 1km đến 3km Indoor và 2km- 5km Outdoor, tốc độ di chuyển của người dùng dưới 100km/h vẫn đảm bảo liên lạc tốt. Đồng thời các chuẩn 802.16f và 802.16g cũng đang được nghiên cứu phát triển. Chuẩn 802.16 802.16a/802.16- Rved 802.16e Thời gian thông qua 12/2001 802.16:1/2003 802.16-rved:2004 2005 Tốc độ 32-134,4Mbps /kênh28MHz Max: 75Mbps/kênh 20Mhz Max: 15Mbps/ Kênh5MHz Dải tần 10-66GHz <11GHz <6GHz Môi trường truyền
LOS NLOS, LOS NLOS, LÓ
Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM,64QAM Single cảier OFDM 256 sub- Tương tự 802.16a
cảier OFDM 2048 sub- cảier Mức độ di động Cố định Cố định Mức di động Tốc độ thấp Độ rộng kênh 20,25,28 MHz Dải kênh: 1,25- 20MHz Tương tự 802.16a Bán kính cell 2-5 km 6-9km lớm nhất là 50km phụ thuộc vào độ anten hệ số tăng ích và công suất phát 2-5km Bảng 1.1 Đặc điểm các chuẩn 802.16
Những đặc điểm chính của các chuẩn IEEE 802.16 khác nhau được tổng quan qua bảng 1.1. Chú ý rằng các chuẩn này đưa ra các tùy chọn thiết kế cơ bản khác nhau. Ví dụ, có nhiều sự lựa chọn cho vật lý: lớp vật lý đơn sóng mạng (Wireless MAN-Sca), lớp vật lý khác là lớp vật lý OFDM (Wrieless MAC- OFDM), và một lớp kiến trúc MAC phương thức song công và băng tần hoạt động…nhưng chuẩn này được phát triển cho nhiều ứng dụng và nhiều mô hình triển khai khác nhau, do đó đưa ra một số lượng lớn cả chọn lựa thiết kế cho các nhà phát triển hệ thống. Thực tế, có thể nói IEEE 802.16 là một bộ các chuẩn tương thích duy nhất
1.2.4.6 Chuẩn 802.16m
IEEE 802.16 là một chuỗi các chuẩn do IEEE phát triển, chúng hỗ trợ cả cố định (IEEE 802.16-2004) và di động (IEEE 802.16e-2005). IEEE 802.16m (hay còn gọi là WiMAX II) được phát triển từ chuẩn IEEE 802.16e, là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM).
Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100 Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các người dùng tĩnh. Khoảng cách truyền của WiMAX II là khoảng 2 km ở môi trường thành thị và khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn.
Hãng Intel đang dẫn đầu về đề xuất sử dụng và phát triển WiMAX II cho hệ thống 4G, một chiến lược mà các Hãng Alcatel-Lucent, AT&T, Motorola, Nokia, Samsung, Sprint Nextel và các thành viên khác của WiMAX Forum cũng hỗ trợ tích cực.
Bảng 1.2 : So sánh đặc điểm nổi bật của WiMAX và 3G LTE 1.2.5 Các băng tần hoạt động của Wimax
Các băng tần được WiMax Forum tập chung xem xét và động cơ quản lý tần số các nước phân bổ cho WiMax là : 3600-3800MHz, 3400-3600MHz (băng 3.5GHz), 3300-3400MHz (băng 3.3GHz), 2500-2690MHz (băng 2.5GHz),
2300-2400MHz (băng 2.3GHz), 5725-5850MHz (băng 5.8GHZ) và băng 700- 00MHz (dưới 1GHz).
1.2.5.1 Bằng 3400-3600MHz (băng 3.5GHz)
Băng 3.5GHz là băng tần đó được nhiều nước phân bổ cho hệ thống truy cập không dây cố định (Fixed Wireless Access - FWA) hoặc cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng (WBA). WiMax cũng được xem là một công nghệ WBA nên có thể sủ dụng băng tần này cho WiMax.Vì vậy,WiMax Forum đó thống nhất lựa chọn băng tần này cho WiMax.
Các hệ thống WiMax ở băng tần này sử dụng chuẩn 802.16-2004 để cung cấp các ứng dụng cố định và nomadic, độ rộng phân kênh là 3.5MHz hoặc 7MHz, chế độ song công TDD hoặc FDD.
Một số nước quy định băng tần này chỉ dành cho các hệ thống cung cấp các dịch vụ cố định, không có ứng dụng nomadic, nên để triển khai được WiMax cần thiết phải sửa đổi lại quy định này.
Đối với Việt Nam, do băng tần này được ưu tiên dành cho hệ thống vệ tinh Vinasat nên hiện tại không thể triển khai cho WiMax.
1.2.5.2 Băng tần 3600-3800MHz.
Băng tần 3600-3800MHz được một số nước châu Âu xem xét để cắp cho WBA. Tuy nhiên,do một phần băng tần này (tư 3.7-3.8GHz) đang được nhiều hệ thống vệ tinh viễn thông sủ dụng (đường xuống băng tần C), đặc biệt là các khu vực châu Á, nên ít khả năng băng tần này sẽ được chấp nhận cho WiMax ở châu Á.
1.2.5.3 Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz)
Băng tần này nó được phân bổ ở Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam đang xem xét phân bổ chính thức. Do Ấn Độ và Trung Quốc là hai thị trường lớn, nên dù chưa có nhiều nước cấp băng tần này cho WBA, nhưng thiết bị WiMax cũng đã được sản xuất. Chuẩn WiMax áp dụng ở băng tần này tương tự như với băng 3.5GHz, đó là WiMax cố định, chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộng kênh 3.5 MHz hoặc 7MHz.
Do Ấn Độ chỉ cho phép sử dụng đoạn băng tần 3316-3400MHz nên các thiết bị WiMax hiện tại cũng chỉ làm việc trong đoạn này với tối đa 2x9 kênh 3.5MHz. Vì vậy, nếu cứ 4 nhà khai thác sử dụng băng tần này thì thường mỗi nhà cung cấp khai thác chỉ được cấp sử dụng 2x2 kênh 3.5MHz. Trong khi đó, theo ý kiến của các chuyên gia Alvarion, một trong những hãng cung cấp thiết bị WiMax, thì để khai thác có hiệu quả, mỗi nhà khai thác nên được cấp ít nhất 2x3 kênh 3.5MHz.
1.2.5.4 Băng 2500-2690MHz (băng 2.5GHz)
Băng tần này là băng tần được WiMax Forum ưu tiên chọn cho WiMax di động theo chuẩn 802.16-2005. Có hai lý do cho sự lựa chọn này, thứ nhất, so với các băng trên 3GHz điều khiên truyền sóng của băng tần này thích hợp cho các ứng dụng di động. Thứ hai là khả năng băng tần này sẽ được nhiều nước cho phép sử dụng WBA bao gồm cả WiMax ở băng tần này có độ rộng kênh là 5MHz, chế độ song công TDD, FDD.
Băng tần này trước đây được sử dụng phổ biến cho các hệ thống truyền hình MMDS trên thế giới, nhưng do MMDS không phát triển nên hội nghị thông tin vô tuyến thế giới năm 2000(WRC-200) đã xác định có thể sử dụng băng tần này cho hệ thống di động thế hệ 3 (3G hay IMT-2000 theo cách đặt tên của ITU). Tuy nhiên, khi nào IMT-2000 được triển khai ở băng tần này cũng chưa có câu trả lời rõ ràng. Vì vậy hiện đã có một số nước như Mỹ, Brazil, Mexico, Singapore, Canada, Liên hiệp Anh (UK), Australia cho phép cử dụng băng tần này cho WBA, Trung Quốc và Ấn Độ cũng đang xem xét.
Ví dụ, Singapore đã chia băng 2.5GHz thành 15 khối 6MHz cho WBA để đấu thầu, theo đó nhà khai thác được cung cấp các dich vụ cố định, nomadic và di động, không yêu cầu phải sử dụng một công nghệ cụ thể nào. Các nhà khai thác trúng thầu có trách nhiêm tự phối hợp với nhau và với nhà khai thác của các nước láng giềng để tránh can nhiễu. Tại Mỹ, Ủy Ban Truyền Thông Liên Bang
(FCC) chia băng 2.5GHz thành 802.16 khối, mỗi nhà khai thác có thể được cấp 22.5MHz, gồm một khối phổ có độ rộng 16.5MHz kết hợp với khối 6MHz.
Do ITU xác định băng tần này cho IMT-2000, nên WiMax Forum đang có kế hoạch tham gia vào các nhóm nghiên cứu của ITU để thúc đấy việc đưa chuẩn 802.16 thành một nhánh của họ tiêu chuẩn ITM-2000.
Với Việt Nam, quy hoạch phổ vô tuyến điện quốc gia được thủ tướng chính phủ phê duyệt cuối năm 2005 đã quy định băng tần 2500-2690MHz sẽ được sử dụng cho các hệ thông thông tin di động thế hệ mới, không triển khai them các thiết bị khác trong băng tần này. Vì vậy,có thể hiểu công nghệ WiMax di động cũng là một đối tượng của quy định này, nhưng băng tần sẽ được sử dụng cho loại hình công nghệ cụ thể nào vẫn còn để mở.
1.2.5.5 Băng 2300-2400MHz (băng 2.3GHz)
Băng 2.3GHz cũng có đặc tính truyền sóng tương tự như băng 2.5GHz nên là băng tần được WiMax Forum xem xét cho WiMax di động.
Hiện có một số nước phân bổ băng tần này cho WBA như Hàn Quóc (triển khai WiBro), Úc, Mỹ,Canada, Singapore đã cho đấu thầu 10 khối 5MHz trong dải 2300-2350MHz để sử dụng cho WBA với các điều kiện tương tự như với băng tàn 2.5 GHz. Úc chia băng tần này thành các khối 7MHz, không quy định cụ thể về công nghệ hay độ rộng kênh, ưu tiên cho ứng dụng cố định. Mỹ chia thành 5 khối 10MHz, không quy định cụ thể về độ rộng kênh, cho phép triển khai cả TDD và FDD.
Đối với Việt Nam, đây cũng là một băng tần có khả năng sẽ được ứng dụng để triển khai WBA/WiMax
1.2.5.6 Băng 5725-5850MHz (băng 5.8GHz)
Băng tần này được WiMax Forum quan tâm vì đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz, 5250-5350MHz), vốn thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà.
Theo WiMax Forum thì băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10MHz, phương thức song công được sử dụng là TDD, không có FDD.
1.2.5.7 Băng dưới 1GHz
Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến lan truyền càng xa, số trạm gốc càng được sử dụng càng ít, tức mức đầu tư cho hệ thồng thấp đi. Vì vậy, WiMax Forum cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới 1GHz, đặc biệt là băng 700-800MHz.
Hiện nay, một số nước đang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số.nên sẽ giải chúng được một phần phổ tần sử dụng cho WBA/WiMax. Ví dụ, Mỹ đó cấp đoạn băng tần 699-741MHz trước đây dùng cho kênh 52-59 UFH truyền hình và xem xét cấp tiếng băng tần747- 801MHz (kênh 60-69 UFH truyền hình)
Với Việt Nam do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phương nên các kênh trong dải 470-806MHz dành cho truyền hình được sử dụng dày đặc cho các hệ thông truyền hình tương tự này sang truyền hình số, nên chưa thấy có khả năng có băng để cấp cho WBA/WiMax ở đây.
Sự ra đời của công nghệ chuẩn WiMax là công nghệ không dây băng rộng hỗ trợ cho các truy nhập cố định, khả năng chuyển, xách tay và di động. Chương này đã đi tìm hiểu một cách tổng quát về mạng không dây và là bước mở đầu để đi tìm hiểu các chương sau.
Chương 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT TRONG WIMAX
Trong chương này chúng ta đi tìm hiểu cơ sở kỹ thuật của chuẩn Wimax. Dựa vào các cơ sở kỹ thuật trong chuẩn Wimax để các nhà dịch vụ nắm bắt được cơ chế hoạt động, để đưa ra những mô hình hoạt động phù hợp với tính chất của mạng. Bên cạnh đó các nhà nghiên cứu cũng đưa ra được các biện pháp bảo mật cho mạng.
2.1 Mô hình tham chiếu của Wimax
Mô hình tham chiếu các lớp trong Wimax chỉ ra rằng nó hoạt động ở tầm nhìn thẳng LOS ở băng tần cao trong dải tần từ 2Ghz đến 11Ghz. Hoạt động ở tần số này tao cơ hội cho sự thay đổi ở lớp vật lý.
Cũng giống như các chuẩn khác họ 802.xx của IEEE, 802.16 chỉ tập trung vào ciệc mô tả và chuẩn hóa hai lớp liên kết dữ liệu (Datalink Layer) và lớp vật lý (Physical Layer) trong mô hình OSI. Giữa lớp MAC và lớp vật lý còn có lớp hội tụ truyền dẫn (TC).
Lớp Mac trong 802.16 bao gồm ba lớp con (Sublayer): lớp con chuyên biệt dịch vụ (CS), lớp con phần chung MAC (CPS) và lớp bảo mật. Lớp CS cung cấp bất cứ việc chuyển đổi hoặc ánh xạ từ mạng mở rộng khác như ATM, Ethernet, thông qua một điểm truy nhập dịch vụ (SAP). Chính xác hơn, lớp này làm nhiệm vụ chuyển các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp CPS. Cũng tại đây diễn ra sự phân lớp dịch vụ của các mạng ngoài để ánh xạ vào một dịch vụ thích hợp trong 802.16.
• Lớp CSP cung cấp các chức năng chính của lớp MAC, đó là các chức năng như truy nhập, phân bố băng thông, thiết lập, quản lý kết nối.
• CS khác nhau để phân lớp vào một kết nối MAC riêng. Chất lượng dịch vụ sẽ được áp dụng trong việc truyền và sắp xếp dữ liệu
• Lớp con bảo mật cung cấp cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa.
• Lớp vật lý bao gồm rất nhiều các định nghĩa khác nhau, mỗi cái thích ứng cho một dãy tần số và ứng dụng riêng.
2.2 Cơ chế hoạt động
2.2.1 Wimax hoạt động như thế nào
Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao 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 8000km2
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 bằng đường truyền thẳng (line of sight), và chính vì vậy WiMax có thể phủ sóng đến những vùng rất xa.
Hình 2.2: Mô hình truyền thông của WiMax
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 ở 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
2.2.2 Truy nhập kênh
Hoạt động truy nhập kênh ở lớp MAC của WiMax hoàn toàn khác so với WiFi. WiMax hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD và TDD sử dụng kỹ
thuật truy nhập TDMA/OFDMA. Ưu điểm của phương pháp này là nó cho phép linh động thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến có thể thay đổi tốc độ phát (Upload) hoặc thu (Download) dữ liệu chứ không phải là cố định như trong ASDL hay CDMA. Trong WiFi tất cả các trạm truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập (Access point - AP), chính vì vậy khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượng mạng. Ngược lại, ở lớp MAC của 802.16, lịch trình hoạt động cho mỗi thuê bao được định trước, do vậy các