NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY WIMAX
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM
LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội - 2007

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGÔ THÁI TRỊ
Hà Nội - 2007

i MỤC LỤC

MỤC LỤC i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC HÌNH VẼ x
DANH MỤC BẢNG BIỂU xii
MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 3
1.1. Tổng quan về các chuẩn không dây 3
1.2. Kiến trúc chung của các chuẩn IEEE 802.11 và 802.16 4
1.3. Công nghệ Wifi 5

2.3.1. Lớp con hội tụ MAC chuyên biệt về dịch vụ (CS) 22
2.3.2. Lớp con phần chung MAC (Common Part Sublayer MAC) 22
2.3.2.1. Các định dạng MAC PDU 22
2.3.2.2. Cơ cấu ARQ 23
2.3.2.3. Truy nhập kênh và QoS 23
2.3.3. Lớp con bảo mật 24
2.4. Lớp con hội tụ truyền (TC) 24

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT MẠNG TRUY
NHẬP BĂNG RỘNG KHÔNG DÂY WIMAX 25
3.1. Các băng tần cho WiMax 25
3.1.1. Băng tần cấp phép 26
3.1.1.1. Băng dưới 1 GHz 26
3.1.1.2. Băng tần 2.3 GHz 26
3.1.1.3. Băng tần 2,5 GHz 26
3.1.1.4. Băng tần 3.3 GHz 27
3.1.1.5. Băng tần 3,5 GHz 28
3.1.1.6. Băng 3,7 GHz 28
3.1.1.7. Băng tần 10,5 GHz và 26 GHz 28
3.1.2. Băng tần không đăng ký 28
3.1.2.1. Băng tần 5 GHz 28
3.1.2.2. Băng tần 5.8 GHz 29
iii 3.1.3. Lựa chọn băng tần WiMax tại Việt Nam 29
3.2. Topo mạng WiMax 30
3.2.1. Phân loại topo mạng 30
3.2.2. Cấu trúc mạng Điểm - Đa điểm (PMP) 31
3.2.3. Tầm nhìn thẳng trong mạng điểm - đa điểm (PMP) 32

3.7.1.7. Mô hình vẽ tia và vị trí riêng 58
3.7.2. Mô hình suy hao đường truyền kích thước nhỏ 59
3.7.2.1. Lan truyền đa đường kích thước nhỏ 59
3.7.2.2. Các loại suy hao đường truyền kích thước nhỏ 59
3.7.3. Vấn đề suy hao đường truyền WiMax tại Việt Nam 62
3.8. Vấn đề dung lượng 63
3.8.1. Tổng lưu lượng và sự tập trung lưu lượng 63
3.8.2. Điều chế thích nghi và dung lượng trung bình của một sector 63
3.8.3. Số lượng sector và BS 64
3.9. Phủ sóng, tần số và chỉ định kênh 65
3.9.1. Kế hoạch phủ sóng 65
3.9.1.1. Bảng tính năng lượng liên kết 65
3.9.1.2. Mối q/h giữa độ dự trữ fading với sự sẵn sàng c/c d/vụ 67
3.9.1.3. Phạm vi của BS - FBWA ở dải tần 3,3 GHz 67
3.9.2. Lên kế hoạch tần số và chỉ định kênh 68
3.10. Vấn đề bảo mật trong WiMax 69
3.10.1. Kiến trúc bảo mật 802.16 69
3.10.2. Các liên kết bảo mật (SA) 70
3.10.2.1. Những thành phần của SA 71
3.10.2.2. Ánh xạ các kết nối tới SA 71
3.10.3. Chứng nhận số X.509 72
3.10.4. Đánh giá khả năng bảo mật và ứng dụng tại Việt Nam 72
3.11. Hệ thống Anten trong WiMax 73
3.11.1. Các đặc tính và tham số của anten 73
3.11.2. Vùng phủ sóng của anten trạm gốc 75
3.11.3. Anten của CPE 75
3.11.4. Hệ thống anten nâng cao 75

v


KẾT LUẬN 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 102
vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAS
Adaptive Antenna System
Hệ thống anten thích nghi
ADSL
Asymmetric Digital Subscriber Line
Đường thuê bao số không đối
xứng
AES
Advanced Encryption Standard
Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến
AK
Authorization Key
Khóa cấp phép
AP
Access Point
Điểm truy nhập
ARQ
Automatic Repeat reQuest
Yêu cầu lặp lại tự động
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng tính
BPSK

Customer Premise Equipment
Thiết bị giao tiếp đầu cuối
khách hàng
CPS
Common Part Sublayer
Lớp con phần chung
CRC
Cyclic Redundancy Check
Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ
CS
(Service-Specific) Convergence
Sublayer
Lớp con hội tụ (chuyên biệt về
dịch vụ)
CSMA
Carrier Sense Multiple Access
Đa truy nhập nhạy cảm sóng
mang
CTC
Convolutional Turbo Codes
Mã Turbo chập
DCD
Downlink Channel Descriptor

Mô tả kênh đường xuống
DES
Data Encryption Standard
Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu
DHCP
Dynamic Host Configuration Protocol

Đa truy nhập phân chia theo
tần số
FEC
Forward Error Correction
Sửa lỗi trước
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
Trải phổ nhảy tần
GMH
Generic MAC Header
Mào đầu MAC chung
HFDD
Hybrid Frequency Division
Duplexing
Song công phân chia theo tần
số Hybrid
HMAC
Hashed Message Authenication Code
Mã nhận thực bản tin được
băm
IEEE
Institute for Electrical and Electronics
Engineers
Viện Các kỹ sư Điện và Điện
tử
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet
ISM
Industrial Scientific & Medical

NLOS
Non-Light Of Sight
Đường truyền không nằm tầm
nhìn thẳng
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia tần số
trực giao
OFDMA
Orthogonal Frequency Division
Multiplex Access
Đa truy nhập phân chia tần số
trực giao
PAN
Personal Area Network
Mạng cá nhân
PDU
Protocol Data Unit
Đơn vị dữ liệu giao thức
PHY
Physical Layer
Lớp vật lý
PKM
Privacy Key Management
Quản lý khóa riêng tư
PMP
Point to Multi Point
Điểm - đa điểm
PTP

Service Data Unit
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
SDMA
Space-Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
không gian
SHA
Secure Hash Algorithm
Thuật toán hàm băm an toàn
SNMP
Simple Network Management
Protocol
Giao thức quản lý mạng đơn
giản
SOFDMA
Scalable Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia tần số
trực giao tỷ lệ
SFID
Service Flow IDentifier
Định danh luồng dịch vụ
SS
Subcriber Station
Trạm thuê bao
ix SSRTG
Subscriber Station Receive/Transmit

Traffic Encryption Key
Khóa mật mã lưu lượng
TFTP
Trivial File Transfer Protocol
Giao thức truyền file thông
thường
TTG
Transmit/Receive Transition Gap
Khoảng chuyển Phát/Thu
UCD
Uplink Channel Descriptor
Mô tả kênh đường lên
UL-MAP
UpLink-MAP
Ánh xạ đường lên
WAN
Wide Area Network
Mạng diện rộng
WBA
Wireless Broadband Access
Truy nhập không dây băng
rộng
Wireless
MAN - SC
WirelessMAN - Single Carier
Mạng không dây đô thị diện
rộng - Sóng mang đơn.
Wireless
MAN- SCa
WirelessMAN - Single Carier

Hình 1.1: Tổng quan về các chuẩn không dây 3
Hình 1.2: 802.11 và 802.16 trong hệ thống các chuẩn của IEEE 802.xx 5
Hình 1.3: Cấu hình một mạng WLAN điển hình 5
Hình 1.4: Mô hình mạng WiMAX 8
Hình 2.1: Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY 14
Hình 2.2: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI 14
Hình 2.3: Cấu trúc thời gian symbol OFDM 18
Hình 2.4: Cấu trúc symbol OFDM miền tần số 18
Hình 2.5. Cấu trúc khung OFDM với TDD 19
Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA 20
Hình 2.7: Cấu trúc symbol OFDMA trong WiMax 20
Hình 2.8: Cấu trúc khung OFDMA WiMax 21
Hình 2.9. Các định dạng MAC PDU 22
Hình 2.10: Định dạng TC PDU 24
Hình 3.1: Dải tần số triển khai WiMax ở một số khu vực trên thế giới 29
Hình 3.2: Ví dụ về kiến trúc của một mạng Fixed WiMax 31
Hình 3.3: Ví dụ về một mạng PMP có thể triển khai trong thực tế 32
Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK 34
Hình 3.5: Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số 35
Hình 3.6: OFDM với 256 sóng mang 36
Hình 3.7: Cấu trúc cơ bản của hệ thống OFDM 36
Hình 2.8: Các kênh con trong OFDMA 38
Hình 3.9: Trải phổ chuỗi trực tiếp 42
Hình 3.10: Trải phổ nhảy tần 44
Hình 3.11: Mô hình suy hao do phản xạ, tán xạ, đa đường trong thực tế 47
Hình 3.12: Mô hình phản xạ mặt đất 48
Hình 3.13: Mô hình nhiễu xạ lưỡi dao 50
Hình 3.14: Vùng Fresnel trong tầm nhìn thẳng (LOS) 51
xi



xii DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.11 7
Bảng 1.2: So sánh các chuẩn IEEE 802.16 12
Bảng 1.3: So sánh công nghệ Wifi và WiMax 13
Bảng 3.1: Các dải tần có thể sử dụng cho hệ thống WiMax 25
Bảng 3.2: So sánh hệ thống LOS và NLOS 33
Bảng 3.3: Mô hình kênh SUI phân loại theo địa hình 46
Bảng 3.4: Đặc tính chung của các kênh SUI 46
Bảng 3.5: Các thông số địa hình cho mô hình kênh theo chuẩn IEEE 802.16 54
Bảng 3.6: Bán kính và diện tích phủ sóng theo các p/p điều chế khác nhau 64
Bảng 3.7: Bảng tính năng lượng liên kết cơ bản 66
Bảng 3.8: Mức độ nhạy nhỏ nhất của máy thu (dBm) (IEEE 802.16-2004) 67
Bảng 3.9: Phạm vi cell trong các điều kiện môi trường truyền sóng khác nhau 68
Bảng 3.10: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16a 70
Bảng 4.1: Các tham số của mã hóa chập 79
Bảng 5.1: Các đặc điểm kỹ thuật cơ bản của một số hệ thống FBWA 92
1
MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ
mạng không dây. Khả năng liên lạc không dây đã gần nhƣ tất yếu trong các thiết bị
cầm tay (PDA), máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị kỹ thuật số
Nhận thấy Wimax là công nghệ mới có nhiều ứng dụng ở các nƣớc trên thế giới
cũng nhƣ tại Việt nam trong tƣơng lai, vì vậy em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ mạng truy nhập không dây Wimax và khả năng ứng dụng tại
Việt Nam”.

Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 5 chƣơng nhƣ sau :
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây.
Chƣơng 2: Lớp PHY và MAC của chuẩn 802.16a.
Chƣơng 3: Nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật mạng truy nhập băng rộng
không dây WiMax.
Chƣơng 4: Xây dựng chƣơng trình Matlab để mô phỏng BER trong hệ
thống WiMax.
Chƣơng 5: Khả năng ứng dụng WiMax tại Việt Nam.

Nội dung nghiên cứu luận văn này đƣợc xây dựng trên cơ sở những kiến thức
đã đƣợc tiếp thu trong quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa Điện tử Viễn thông -
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội cũng nhƣ thời gian công tác tại
Tổng Công ty truyền thông đa phƣơng tiện (VTC).
Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu có giới hạn, do vậy luận văn chỉ tập trung
nghiên cứu, đi sâu về một số vấn đề kỹ thuật mạng truy nhập băng rộng không dây
cố định (FBWA), đặc biệt là suy hao đƣờng truyền vô tuyến của WiMax. Hơn nữa,
do khả năng hạn chế của bản thân, bài luận văn này không tránh khỏi có những sai
sót, tác giả mong đƣợc sự góp ý chỉ bảo của các Thầy Cô và bạn bè đồng nghiệp.
Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Ngô Thái Trị - TT tin
học và đo lƣờng, Đài THVN đã giúp đỡ tận tình và có nhiều góp ý, cùng nhiều tài
liệu bổ ích để bản luận văn này đƣợc hoàn thành. Tác giả cũng xin chân thành cảm
ơn các Thầy Cô giáo Khoa Điện tử viễn thông thuộc Đại học Công Nghệ - ĐH
Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện học tập và nghiên cứu cho tác giả trong khóa học

thành 802.15.3 đƣợc biết đến với tên công nghệ Ultrawideband - siêu băng thông.
4
- Mạng WLAN (Wireless Local Area Network): Sử dụng chuẩn IEEE 802.11 bao
gồm các chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n… WLAN là một phần của giải
pháp vǎn phòng di động, cho phép ngƣời sử dụng kết nối mạng LAN từ các khu vực
công cộng nhƣ văn phòng, khách sạn hay các sân bay. Tại Việt Nam WLAN đã
đƣợc triển khai ứng dụng ở nhiều nơi. Công nghệ này cho phép ngƣời sử dụng có
thể sử dụng, truy xuất thông tin, truy cấp Internet với tốc độ lớn hơn rất nhiều so với
phƣơng thức truy nhập gián tiếp truyền thống.
- Mạng WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Sử dụng chuẩn IEEE
802.16, đƣợc hoàn thành vào tháng 10/2001 và đƣợc công bố vào ngày 8/2002, định
nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN cho các mạng vùng đô
thị. Việc đƣa ra chuẩn này mở ra một công nghệ mới truy nhập không dây băng
rộng WiMAX cho phép mạng không dây mở rộng phạm vi hoạt động tới gần 50 km
và có thể truyền dữ liệu, giọng nói và hình ảnh video với tốc độ nhanh hơn so với
đƣờng truyền cáp hoặc ADSL.
- Mạng WWAN (Wireless Wide Area Network): Hệ thống WWAN đƣợc triển khai
bởi một công ty hay tổ chức trên phạm vi rộng, khai thác băng tần đã đăng ký trƣớc
với cơ quan chức năng và sử dụng chuẩn mở nhƣ AMPS, GSM, TDMA và CDMA.
Khoảng cách hàng trăm km, tốc độ từ 5 kb/s đến 20 kb/s. Trong tƣơng lai, các kết
nối WirelessWAN sẽ dùng chuẩn 802.20 để thực hiện các kết nối diện rộng.

1.2. KIẾN TRÚC CHUNG CỦA CÁC CHUẨN IEEE 802.11 VÀ
802.16 [7]
Chuẩn IEEE 802.11 và 16 đặc tả lớp vật lý - PHY (Physical) và lớp điều khiển
truy nhập môi trƣờng - MAC (Medium Access Control) cho truy nhập băng rộng
không dây cố định - FBWA (Fixed Broadband Wireless Access) cho phạm vi mạng

AP
CISCO AIRONET 350SERIES
WIRELESS ACCESS POINT
AP
Hotspot
RADIUS AAA
Server
Billing System
SHDSL
Subscriber
Gateway

Hình 1.3: Cấu hình một mạng WLAN điển hình
WLAN là một hệ thống truyền thông dữ liệu mở để truy nhập vô tuyến đến
mạng Internet và các mạng Intranet. Nó cũng cho phép kết nối LAN tới LAN trong
một toà nhà hoặc một khu tập thể, hoặc một khu trƣờng đại học Một hệ thống
WLAN có thể đƣợc tích hợp với mạng vô tuyến diện rộng. Tốc độ đạt đƣợc trong
WLAN cần phải đƣợc hỗ trợ truyền dẫn thích hợp từ mạng đƣờng trục.
6
Về mặt vật lý, WLAN có hai thành phần cơ bản là:
- Trạm gốc không dây (WBS) hay còn gọi là AP (Access Point)
- Khối giao tiếp ngƣời sử dụng đầu cuối hay còn gọi là CPE.
 AP là thiết bị đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ, nó phải đƣợc đấu nối với mạng
của nhà cung cấp đó để truy cập vào mạng Internet. Thông thƣờng AP đƣợc
đấu với Router, Hub hoặc Switch để đƣợc cấp một địa chỉ IP riêng. Sau đó kết
nối tới mạng của nhà cung cấp dịch vụ thông qua các hệ thống truyền dẫn
thông dụng nhƣ cáp quang, cáp đồng hoặc viba. AP có khả năng chuyển đổi

công nghệ truyền dẫn trải trải phổ dãy trực tiếp (DSSS).
 Chuẩn IEEE 802.11g: Do IEEE phát triển, những mạng dùng chuẩn 802.11b cho
phép dữ liệu đƣợc truyền với dung lƣợng tối đa 10 megabit/giây (trung bình là 4
Mbps). Chuẩn mới hơn là IEEE 802.11g cho phép truyền dữ liệu với dung lƣợng
cao nhất - 54 Mbps (trung bình 22 Mbps). Cả hai chuẩn này đều dùng băng tần 2,4
GHz và hoạt động tƣơng tác.
 Chuẩn IEEE 802.11a: Chuẩn IEEE 802.11a hoạt động trong dải tần 5 GHz, tạo
cho các kết nối sử dụng chuẩn 802.11a ít bị ảnh hƣởng hơn đối với sự giao thoa
sóng điện từ mà các kết nối sử dụng chuẩn 802.11b, 802.11g hoạt động ở tần số 2,4
GHz có thể gây ra. Bởi dải tần 2,4 GHz thƣờng đƣợc dùng trong công nghiệp, y tế,
và sử dụng trong các thiết bị gia đình. Bảng 1.1 dƣới đây sẽ so sánh các chuẩn IEEE
802.11:

Chuẩn
Tần số
Tốc độ
Ghép kênh
Ghi chú
IEEE 802.11
900 MHz
2 Mbps
FHSS
DSSS

IEEE 802.11b
2,4 GHz
900 MHz
11 Mbps
FHSS
DSSS

vi ba có tính tƣơng thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16. Công
nghệ WiMAX cung cấp phạm vi và băng thông lớn hơn họ các chuẩn Wi-Fi.
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, phạm vi phủ sóng đƣợc mở rộng. Hình 1.4 mô tả một ví dụ về ứng dụng
mạng WiMAX.

Hình 1.4: Mô hình mạng WiMAX
1.4.2. Các ƣu điểm của WiMax
o Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm-điểm,
điểm - đa điểm, mạng lƣới (mesh).
o Chất lƣợng dịch vụ QoS : WiMAX có thể đƣợc tối ƣu động đối với hỗn hợp lƣu
lƣợng sẽ đƣợc mang. Có 4 loại dịch vụ đƣợc hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện
(UGS - Unsolicited Grant Service), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch
vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE).
9
o Triển khai nhanh: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu
ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài.
o Dịch vụ đa mức: Một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau
tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những ngƣời dùng khác nhau sử dụng
cùng MS.
o Tính tƣơng thích: WiMAX dựa vào quốc tế, các chuẩn không có tính chất rõ rệt
nhà cung cấp, tạo ra sự dễ dàng đối với ngƣời 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.
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

lƣợng mạng. Chuẩn đã đƣợc thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng
nghìn ngƣời sử dụng trong một kênh RF.
o Bảo mật: Bằng cách mật hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sử dụng
chuẩn mật hóa tiên tiến AES ở chế độ CCM, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu
trao đổi qua giao diện vô tuyến. Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ
mạnh chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ.

1.4.3. Các chuẩn của Wimax [31]
1.4.3.1. Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 [11]
Chuẩn IEEE 802.16-2001 đƣợc hoàn thành vào tháng 10/2001 và đƣợc công bố
vào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho
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 hƣớng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật.

11
1.4.3.2. Chuẩn IEEE 802.16a - 2003
Chuẩn này đƣợc 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 nhƣ sau:
 Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào cho