Lời cam đoan
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất
cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước.
Mục lục
MỤC LỤC
Nội dung Trang
MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ
MỤC LỤC CÁC BẢNG
CÁC TỪ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX
1.1. Giới thiệu chương 1
1.2. Khái niệm 1
1.3. Các chuẩn của WiMAX 5
1.3.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 5
1.3.2. Chuẩn IEEE 802.16a 5
1.3.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 6
1.3.4. Chuẩn IEEE 802.16e 6
1.4. Phổ WiMAX 8
1.4.1. Băng tần đăng ký 8
1.4.2. Băng tần không đăng ký 5GHz 9
1.5. Truyền sóng 9
1.6. Ưu điểm và nhược điểm của WiMAX 12
1.7. Tình hình triển khai WiMAX 14
1.7.1. Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới 14
1.7.2. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 14
1.8. Kết luận chương 15
Chương 2: CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX
2.1. Giới thiệu chương 16
2.2. Kỹ thuật OFDM 17
3.5. Kết luận chương 46
Chương 4: KIẾN TRÚC BẢO MẬT CHUẨN IEEE 802.16
4.1. Giới thiệu chương 47
4.2. Kiến trúc bảo mật 47
4.2.1. Kết hợp bảo mật 49
4.2.2. Giao thức quản lí khóa PKM 49
4.3. Quy trình bảo mật 50
4.3.1. Xác thực 51
4.3.2. Trao đổi khóa dữ liệu 53
4.3.3. Mã hóa dữ liệu 54
4.4. Hạn chế của kiến trúc bảo mật IEEE 802.16 55
4.5. Kết luận chương 56
Chương 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG WiMAX
5.1. Giới thiệu chương 57
5.2. Môi trường mô phỏng 57
5.3. Mô phỏng 59
5.3.1. Giả thuyết 59
5.3.2. Kịch bản mô phỏng 60
5.4. Phân tích kết quả mô phỏng 61
5.4.1. Hoạt động 61
5.4.2. Tính lượng băng thông được sử dụng trên BS 63
5.5. Nhận xét 65
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
Mục lục
PHỤ LỤC
Phụ lục A: Giá trị trường Type trong thông báo quản trị lớp MAC
Phụ lục B: Giao thức định tuyến DSDV
Phụ lục C: Cài đặt NS-2 trên nền Windows 9x/2000/XP sử dụng Cygwin
Mục lục các hình vẽ
Hình 4.3. Quá trình xác thực SS với BS 51
Hình 4.4. Quá trình trao đổi khóa dữ liệu 53
Hình 4.5. Định dạng payload trước và sau khi mã hóa 55
Hình 5.1. Module WiMAX trong kiến trúc NS-2 [13] 58
Hình 5.2. Kiến trúc mạng mô phỏng 60
Hình 5.3. Các SS gửi yêu cầu ranging 61
Hình 5.4. BS gửi đáp ứng ranging 62
Hình 5.5. SS_2 gửi yêu cầu băng thông 62
Hình 5.6. SS_2 gửi dữ liệu (rtPS) cho BS 63
Hình 5.7. Đồ thị băng thông được sử dụng trên các kênh truyền 63
Hình 5.8. Thông tin trong file ~.tr được import vào excel 64
Mục lục các các bảng
MỤC LỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Tóm tắt các đặc trưng cơ bản các chuẩn WiMAX [6] 8
Bảng 3.1. Các trường tiêu đề MAC chung 39
Bảng 3.2. Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông 40
Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16 45
Các từ viết tắt
CÁC TỪ VIẾT TẮT
AAS Advanced Antenna Systems - Các hệ thống anten thích nghi
AES Advanced Encryption Standard - Chuẩn mã hóa nâng cao
AK Authentication Key - Khóa chứng thực
ARQ Automatic Repeat reQuest - Tự động lặp lại yêu cầu
ATM Asynchronous Transfer Mode
AWGN Additive White Gaussian Noise - Nhiễu Gaussian trắng cộng
BE Best Effort
BER Bit Error Rate - Tỉ lệ lỗi bit
BPSK Binary Phase Shift Keying - điều chế pha nhị phân
BS Base Station - Trạm gốc
kênh chia tần số trực giao
PDU Packet Data Unit - Đơn vị gói dữ liệu
PKM Privacy and Key Management - Quản lý sự riêng tư và khóa
QAM Quadrature Amplitude Modulation - Điều chế biên độ trực giao
QoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụ
QPSK Quadature Phase Shift Keying - điều chế pha trực giao
RF Radio Frequency - Tần số vô tuyến
rtPS real-time Polling Service
SA Security Association – Tập hợp bảo mật
SDU Service Data Unit - Đơn vị dữ liệu dịch vụ
SLA Service-Level Agreement - Thỏa thuận mức dịch vụ
SNR Signal-to-Noise Ratio – Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
SS Subscriber Station - Trạm thuê bao
TDM Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gian
TDMA Time Division Multiplexing Access – Đa truy cập phân chia theo
thời gian
TEK Traffic Encryption Key - Khóa mã hóa lưu lượng
UDP User Datagram Protocol
UGS Unsolicited Grant Services
UMTS Universal Mobile Telephone System
WiFi Wireless Fidelity
WiMAX Worldwide interoperability for Microwave Access
WLAN Wireless Local Area Network – Mạng cục bộ không dây
Mở đầu
MỞ ĐẦU
Xu hướng phát triển của các mạng thế hệ sau được đặc trưng bởi khả năng hội
tụ, tốc độ dữ liệu cao, hỗ trợ nhiều mức chất lượng dịch vụ (QoS) đi đôi với khả
năng di động bên trong mạng hoặc giữa các mạng sử dụng các công nghệ khác nhau
và giữa các nhà cung cấp dịch vụ với nhau. Một khía cạnh quan trọng trong xu
hướng phát triển đó là việc chuẩn hóa, cho phép xây dựng kiểu mạng độc lập với
các nhược điểm của các phương pháp truy nhập hiện tại, cung cấp một phương tiện
truy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống
WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền có tốc độ lên đến 70Mbit/s 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 máy tính muốn truy nhập
mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất.
Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về WiMAX, các
chuẩn WiMAX hiện nay, các băng tần có thể sử dụng cho WiMAX, các ưu điểm và
lợi ích của WiMAX mang lại, đồng thời là tình hình triển khai WiMAX trên thế
giới và tại Việt Nam
1.2. KHÁI NIỆM
WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là hệ thống truy
nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16
WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network). Họ 802.16 này đưa ra những
tiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô
tuyến băng rộng điểm – đa điểm về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển
truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY).
- 1 -
Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả
năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây
di động. Hai phiên bản của WiMAX được đưa ra như sau:
• Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-
2004, được thiết kế cho loại truy nhập cố định và lưu động. Trong phiên bản
này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
(Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trường
nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và không nhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-
sight). Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tai đã được cấp chứng chỉ và
thương mại hóa.
đến việc cạnh tranh của nhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ
thống giảm đáng kể.
o Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa
vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhà
cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng. Chi tiết hơn, một nhà cung cấp
dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm
chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng MS. Cung cấp truy nhập
băng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp
đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùng
mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng
rộng rất thách thức.
o Tính tương thích: WiMAX được xây dựng để trở thành một chuẩn
quốc tế, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử
dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ
khác nhau. Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì
nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị.
o Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả
năng di động. Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số
trực giao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các
- 3 -
Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động. Những cải tiến này, bao
gồm OFDMA mở rộng được, MIMO (Multi In Multi Out - nhiều đầu vào
nhiều đầu ra), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và handoff, sẽ cho phép khả
năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h. Mạng WiMAX di động cho phép
người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng thông rộng tại bất cứ
đâu có phủ sóng WiMAX.
o Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà không
đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS. Khả năng này của nó giúp các sản
phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS.
các mạng vùng đô thị. Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001:
Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố
định họat động ở dải tần 10 – 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng.
Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC.
Tốc độ bit: 32 – 134 Mbps với kênh 28 MHz.
Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM.
Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz.
Bán kính cell: 2 – 5 km.
Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật.
1.3.2. Chuẩn IEEE 802.16a
Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử
dụng tần số từ 10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn
thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở
rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao
gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện
tầm nhìn thẳng. Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:
Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào
cho dải 2 – 11 GHz (NLOS).
- 5 -
Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Tốc độ bit: tới 75Mbps với kênh 20 MHz.
Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang,
QPSK, 16 QAM, 64 QAM.
Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz.
Bán kính cell: 6 – 9 km.
Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa.
Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ
trợ công nghệ Mesh, ARQ.
1.3.3. Chuẩn IEEE 802.16 - 2004
Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp thông
2-11 GHz cho cố định;
2-6 GHz cho di động
Ứng dụng
Cố định, tầm
nhìn thẳng
(LOS)
Cố định, không nhìn thẳng
(NLOS)
Cố định và di động, không
nhìn thẳng (NLOS)
Cấu trúc
lớp MAC
Điểm – đa điểm,
mạng lưới
Điểm – đa điểm, mạng lưới Điểm – đa điểm, mạng lưới
Mô hình
truyền
sóng
Đơn sóng mang
Đơn sóng mang, 256
OFDM, 2048 OFDM
Đơn sóng mang, 256 OFDM
hoặc S-OFDM với 128, 512,
1024, 2048 sóng mang con.
Điều chế
QPSK, 16QAM,
64QAM
QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM
Tổng tần
số dữ liệu
Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Xử lý
WiMAX
Không
256-OFDM như là
WiMAX cố định
S-OFDMA như là WiMAX
di động
Bảng 1.1. Tóm tắt các đặc trưng cơ bản các chuẩn WiMAX [6]
1.4. PHỔ WiMAX
1.4.1. Băng tần đăng ký
Các giải pháp đăng ký cung cấp các ưu điểm chất lượng dịch vụ được cải thiện
cao hơn các giải pháp không đăng ký, chấp nhận NLOS tốt hơn ở các tần số thấp,
nó có một ngân qũy công suất đường xuống rộng hơn và có thể hỗ trợ các anten
trong nhà tốt hơn. Giải pháp đăng ký cho phép kiểm soát qua cách sử dụng phổ và
nhiễu.
• Băng tần đăng ký 2,5 GHz
Đã được cấp phát trong phần lớn các nước trên thế giới, bao gồm bắc Mỹ, Mỹ
Latin, đông và tây Âu và nhiều vùng của châu Á - thái bình dương. Mỗi quốc gia
thường cấp phát dải khác nhau, vì vậy phổ được cấp phát qua các vùng có thể từ
2,495 GHz đến 2,690 GHz. Tổng phổ khả dụng là 195 MHz, bao gồm các dải
phòng vệ và các kênh MDS, gữa 2.495 GHz và 2.690 GHz. Hỗ trợ FDD, TDD. Phổ
trên mỗi đăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz và một block 6 MHz, tổng số 8
đăng ký.
• Băng tần đăng ký 3,5 GHz.
Ở châu Âu, viện chuẩn viễn thông châu âu đã phân phối dải 3,5 GHz, bắt đầu
được sử dụng cho WPLL, cho các giải pháp WiMAX đăng ký. Tổng phổ khả dụng,
thay đổi theo quốc gia nhưng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và 3,8 GHz.
Hỗ trợ cả FDD và TDD, một vài quốc gia chỉ sử dụng FDD trong khi các quốc gia
khác cho phép sử dụng FDD hoặc TDD. Phổ trên mỗi đăng ký thay đổi từ 2×5MHz
- 9 -
Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
phản xạ nhiều lần, năng lượng bị tán xạ, và các đường truyền bị nhiễu xạ. Các tín
hiệu này có khoảng trễ khác nhau, suy hao, phân cực, và độ ổn định quan hệ với
đường truyền trực tiếp. Là nguyên nhân gây ra nhiễu ISI và méo tín hiệu. Điều đó
không phải là vấn đề đối với LOS, nhưng với NLOS thì lại là vấn đề chính.
Hiện tượng đa đường cũng có thể gây ra sự phân cực tín hiệu bị thay đổi. Vì
vậy sử dụng phân cực như là biện pháp sử dụng lại tần số, như được thực hiện
thông thường trong các triển khai LOS có thể khó giải quyết trong các ứng dụng
NLOS.
Một hệ thống vô tuyến sử dụng các tín hiệu đa đường này như thế nào hướng
tới một thuận lợi là chìa khóa để cung cấp dịch vụ trong các điều kiện NLOS. Một
sản phẩm mà chỉ đơn thuần tăng công suất để xuyên qua các vật cản (đôi lúc được
gọi là “gần tầm nhìn thẳng”) thì không phải là công nghệ NLOS bởi vì phương pháp
này vẫn còn dựa vào đường truyền trực tiếp đủ mạnh mà không sử dụng năng lượng
xuất hiện trong các tín hiệu gián tiếp.
Có nhiều ưu điểm mà những triển khai NLOS tạo ra đáng mong muốn. Ví dụ,
các yêu cầu lập kế hoạch chặt chẽ và giới hạn chiều cao anten mà thường không cho
phép anten được bố trí cho LOS. Với những triển khai tế bào kề nhau phạm vi rộng,
nơi tần số được sử dụng lại là tới hạn, hạ thấp anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênh
chung giữa các vị trí cell liền kề. Điều này thường có tác dụng thúc đẩy các trạm
gốc hoạt động trong các điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể giảm chiều
cao anten bởi vì làm như vậy sẽ có tác động đến đường quan sát trực tiếp được yêu
cầu từ CPE đến trạm gốc.
- 10 -
Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Hình 1.1. Minh họa họat động WiMAX [10]
Công nghệ NLOS cũng giảm phí tổn cài đặt bằng cách đặt dưới các mái che
thiết bị CPE đúng như nguyên bản và giảm bớt khó khăn định vị trí các địa điểm đặt
CPE thích hợp. Công nghệ cũng giảm bớt nhu cầu quan sát vị trí thiết bị phía trước
các sản phẩm riêng biệt của từng hãng.
- Hệ thống vô tuyến cho phép giảm các rủi ro cho nhà khai thác.
• Đối với người sử dụng dịch vụ:
- Người sử dụng tại các khu vực trước đây chưa được cung cấp dịch vụ truy
cập băng rộng nay có thể được sử dụng nhờ khả năng phủ sóng rộng của
WiMAX.
- 12 -
Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
- Nhiều nhà cung cấp dịch vụ trên thị trường tạo điều kiện cho người sử
dụng có thêm nhiều lựa chọn cho dịch vụ truy nhập băng rộng.
- Tạo sự cạnh tranh có lợi cho người sử dụng, giảm các chi phí dịch vụ.
Các nhược điểm của công nghệ WiMAX:
- Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn
chế sự phổ biến công nghệ rộng rãi.
- Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật.
- Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do hiện
giờ đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau. Theo diễn dàn
WiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứng
nhận bao gồm: Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim
Wilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat,
Aperto, Axxcelera.
- Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tin
chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc
phục hậu quả sự cố ra sao. Ngay cả ở Việt Nam, VNPT (với nhà thầu nước
ngoài là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phía
Bắc, cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cập
Internet tại Bưu điện tỉnh,huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về
tính hiệu quả đáng kể của hệ thống.
Như vậy, có thể thấy rằng khả năng cũng như lợi ích của các hệ thống WiMAX
dựa trên họ chuẩn 802.16 là hết sức to lớn mặc dù nó vẫn tồn tại một số hạn chế. Nó
Ngày 1/10/2007, Chính phủ đã cấp phép triển khai dịch vụ thông tin di động
3G và dịch vụ truy nhập băng rộng không dây WiMAX (theo công văn 5535/VPCP-
CN của văn phòng Chính phủ). Đồng thời, Phó thủ tướng đã đồng ý cấp phép thử
- 14 -
Copyright: Tài liệu đại học ©