Phân tích và đánh giá vấn đề an ninh trong mạng không dây WIMAX

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
VÀ TRUYỀN THÔNG




NGUYỄN THỊ THANH AN




PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ VẤN ĐỀ AN NINH
TRONG MẠNG KHÔNG DÂY WIMAX


Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH



Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN VĂN TAM

THÁI NGUYÊN - 2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu, tìm hiểu và
tham khảo của riêng tôi. Các số liệu trong luận văn là trung thực.

Tác giả

Nguyễn Thị Thanh An

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại trường Đại học Công nghệ Thông tin
và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên. Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
NGUYỄN VĂN TAM. Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc
tới thầy về sự tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả làm luận văn.
Trong quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ Thông tin và
Truyền thông - Đại học Thái Nguyên tác giả thường xuyên nhận được sự
quan tâm giúp đỡ, đóng góp ý kiến của các thầy cô trực tiếp giảng dạy và các
cán bộ, giáo viên trong trường. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
những thầy cô đó.
Xin chân thành cảm ơn anh chị em học viên lớp CAO HỌC K9A đã

giúp đỡ, động viên, khích lệ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Luận văn sẽ không hoàn thành được nếu không có sự quan tâm, động
viên của người thân trong gia đình tác giả. Đây là món quà tinh thần, tác giả
xin gửi tặng gia đình thân yêu của mình với lòng biết ơn sâu sắc.

Tác giả


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


iii
MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục chữ viết tắt v
Danh mục các hình viii
Danh mục các bảng ix
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1. KIẾN TRÚC CỦA WIMAX CHUẨN IEEE802.16 2
1.1. Quá trình phát triển của WIMAX 2
1.1.1. IEEE 802.16-2001 3
1.1.2. IEEE 802.16c-2002 4
1.1.3. IEEE 802.16a-2003 4
1.1.4. Chuẩn IEEE 802.16d-2004 6
1.1.5. IEEE 802.16e và Beyond 6
1.2. Các giao thức của WIMAX 6
1.2.1. Các lớp giao thức 6
1.2.2. Lớp vật lý (PHY) 7

1.2.3. Lớp điều khiển truy nhập (MAC) 13
Kết luận 20
Chƣơng 2. PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ AN NINH CHUẨN IEEE802.16 21
2.1. Đánh giá về an ninh của tiêu chuẩn IEEE 802.16 21
2.1.1. Giới thiệu các lỗ hổng của mạng không dây (IEEE 802.11) 21
2.1.2. Phân tích về lỗ hổng của chuẩn IEEE 802.16 23
2.2. Các phần tử an ninh của chuẩn IEEE 802.16 35
2.2.1. Các phần tử an ninh chính của chuẩn IEEE 802.16 35
2.2.2. Thuật toán mã hóa 36
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


iv
2.2.3. Chứng chỉ số X.509 38
2.2.4. Kết nối an toàn SA 39
2.2.5. Mã hóa 40
2.2.6. Giao thức trao đổi khóa PKM 41
2.2.7. Quản lý khóa cấp phép (AK) 45
2.2.8. Mã hóa dữ liệu 46
Kết luận 47
Chƣơng 3. VẤN ĐỀ XÁC THỰC 48
3.1. Xác thực lẫn nhau 48
3.2. Đề xuất thuật toán cho BS xác thực 49
3.3. Chi tiết thông tin liên lạc với máy chủ xác thực 51
3.4. Phòng chống tấn công lặp gói tin 52
3.5. Phòng chống tấn công chen giữa và tấn công từ chối dịch vụ 53
3.6. Mô phỏng kết quả 54
Kết luận 58
Công trình trong tương lai 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

Phụ lục 1: Lập trình mã cho các BS (Base Station) 62
Phụ lục 2: Lập trình mã cho các SS (Subscriber Station) 65
Phụ lục 3: Lập trình mã cho các AS (Authentication Server) 69


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AK
AS
AP
ATM
AES
BS
BSID
BWA
CPE
CS
CPS
CIDs
CPE
CMAC
CTS
CSMA/CA
CMAC
DLL
DL

DES
DREG-CMD
DoS
EAP
FDD
FDMA
Authentication Key
Authentication Server
Access Point
Asynchronous Transfer Mode
Advanced Encryption Standard
Base Station
Base Stations ID
Broadband Wireless Access
Customer Premise Equipment
Convergence Sublayer
Common Part Sublayer
Connection Identifiers
Customer Premises Equipment
Cipher-based Message Authentication Code
Clear to Send
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
Cipher-Based Authentication Code Wide Interoperability for
Data Link Layer Microwave Access
Downlink
Data Encryption Standard
Re/RE-register Command
Denial of Service
Extensible Authentication Protocol
Frequency Division Duplexing

Frequency Division Multiple Access
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vi
HMAC
ISO/IEC

ITU
IP
IPTV
IPv4
IPv6
LLC
LOS
MAC
MD5
NLOS
NIST
OFDMA
OSI
PKM
PTP
PMP
PDU
PHY Layer
PKM-REQ
PKM-RSP
PHS
PKM

PKMv1
PKMv2
Hashed Message Authentication Code
International Organization for Standardization & the International
Electrotechnical Commission
International Telecommunications Union
Internet Protocol
Internet Protocol Television
Internet Protocol version 4
Internet Protocol version 6
Logical Link Control
Line of Sight
Media Access Control
Message-Digest algorithm 5
Non Line of Sight
National Institute of Standards and Technology
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
Open Systems Interconnection
Protocol Key Management Protocol
Point to Point
Point to Multipoint
Protocol Data Unit
Physical Layer
PKM Request
PKM Response
Payload Header Suppression
Privacy Key Management
Key Management Protocol version 1
Key Management Protocol version 2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vii
QoS
RES-CMD
RTS
SS
SSID
SDU
SA
TEK
TDD
TDMA
TDM
3-DES
UL
VoIP
WirelessMan
WIMAX
Quality of Service
Reset Command
Request to Send
Subscriber Station
Subscriber Stations ID
Service Data Unit
Security Association
Traffic Encryption Key
Time Division Duplexing
Time Division Multiple Access
Time Division Multiplexing

Triple Data Encryption Standard
Uplink
Voice over Internet Protocol
Wireless Metropolitan Area Network
World Wide Interoperability for Microwave Access











Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


viii
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Bảy lớp mô hình OSI cho các mạng 7
Hình 1.2: Lớp giao thức trong IEEE 802.16 10
Hình 1.3: Chi tiết phân lớp MAC trong IEEE 802.16 14
Hình 1.4: Truyền-nhận SDUs và PDUs trong quá trình gửi và nhận tín hiệu 16
Hình 2.1: Tấn công bằng thông điệp loại bỏ xác thực 25
Hình 2.2: Ngăn chặn tấn công sử dụngRES-CMD 27
Hình 2.3: Điểm truy nhập giả mạo bằng một nút giả mạo 30
Hình 2.4: SS xác thực và đăng ký 31

Hình 2.5: Thuật toán ba DES 37
Hình 2.6: Xác thực X.509 38
Hình 2.7: Nhận thực trong IEEE 802.16 39
Hình 2.8: Xác thực và cấp phát khóa cấp phép bởi BS. BS là máy chủ và
SS là khách hàng 43
Hình 2.9: Quá trình trao đổi khóa 44
Hình 2.10: SS yêu cầu BS cho các khoá mã hóa TEK0 và TEK1 46
Hình 3.1: Giao thức xác thực trong chuẩn IEEE802.16 48
Hình 3.2: Quá trình xác thực lẫn nhau để tránh cuộc tấn công giả mạo BS 50
Hình 3.3: Quá trình truyền thông tổng thể 51
Hình 3.4: Phòng chống tấn công lặp gói tin bằng cách sử dụng nhãn thời gian 53
Hình 3.5: Trạm gốc (BS) đang chờ đợi kết nối 54
Hình 3.6: SS được gửi thông tin đến BS 55
Hình 3.7: BS đang gửi thông tin cho các SS 55
Hình 3.8: SS nhận được thông điệp từ BS và giải mã các thông điệp 56
Hình 3.9: SS truyền tải thông điệp đến các AS 56
Hình 3.10: AS xác minh các BS và gửi thông báo tới AS 57
Hình 3.11: SS xác minh các BS 57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ix
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh các tiêu chuẩn IEEE 802.16 BWA [4] 5
Bảng 1.2: Năm giao diện vật lý định nghĩa trong chuẩn 802.16 [3] 9
Bảng 1.3: Ưu điểm của OFDMA so với OFDM 12
Bảng 1.4: Các tham số tỷ lệ S-OFDMA 13
Bảng 2.1: Các phím mã hóa được sử dụng trong tiêu chuẩn IEEE

802.16, IEEE 802.16-phiên bản 2004 [11] 40
Bảng 2.2: Các vấn đề cơ bản của giao thức PKMv1 trong tiêu chuẩn
IEEE 802.16[11] 41


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1
MỞ ĐẦU
Từ khi xuất hiện mạng máy tính, tính hiệu quả, tiện lợi của mạng đã
làm thay đổi phương thức khai thác máy tính cổ điển. Mặc dù, mạng và công
nghệ mạng ra đời cách đây không lâu nhưng nó đã được triển khai ứng dụng ở
hầu hết khắp mọi nơi trên hành tinh. Ở nước ta, việc lắp đặt và khai thác
mạng máy tính đã trở nên rất phổ biến và được sử dụng ở hầu hết các cơ quan,
trường học, doanh nghiệp. Trong những năm gần đây, mạng Internet đã đã trở
thành mạng đa dịch vụ và đa phương tiện. Nhu cầu băng thông của mạng
truyền thông không ngừng gia tăng. Tuy nhiên, một số công nghệ băng thông
rộng hiện nay chưa đáp ứng được nhu cầu băng thông trong thực tế. Công
nghệ chuẩn IEEE 802.16 đã ra đời được kỳ vọng sẽ thay thế các hạ mạng
mạng viễn thông hiện nay. Chuẩn WIMAX đầu tiên ra đời năm 2001 và phiên
bản IEEE 802.16e được WIMAX Forum cải tiến vào năm 2007. Đây là một
trong các chuẩn đáp ứng được nhiều yếu tố tối ưu băng thông, cung cấp được
các dich vụ cố định cũng như di động và đã được triển khai phổ biến trên thế
giới. WIMAX là công nghệ mạng WMAN cho phép triển khai dễ dàng trong
thành phố cũng như vùng sâu, vùng xa. Các nút mạng WIMAX là thành phần
quan trọng trong kỹ thuật mạng lưới không dây Wireless Mesh Network
(WMN) một giải pháp tốt nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng cho các mạng
không dây. Tuy nhiên, khi triển khai mạng WIMAX cũng gặp không ít thách
thức, đặc biệt là vấn đề an toàn an ninh mạng, chính vì vậy tôi chọn đề tài:

“Phân tích đánh giá vấn đề an ninh trong mạng không dây WIMAX” là đề
tài nghiên cứu cho luận văn của mình. Đề tài gồm 3 chương như sau:
Chương 1. Kiến trúc của WIMAX chuẩn IEEE802.16
Chương 2. Phân tích vấn đề an ninh chuẩn IEEE802.16
Chương 3. Vấn đề xác thực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2
Chƣơng 1
KIẾN TRÚC CỦA WIMAX CHUẨN IEEE802.16
1.1. Quá trình phát triển của WIMAX
Vào cuối thế kỷ thứ 20 nhiều thiết bị viễn thông của các nhà sản xuất
bắt đầu xây dựng và giới thiệu sản phẩm cho BWA. Tuy nhiên, ngành công
nghệ đã trải qua một tiêu chuẩn tương thích. Với hệ thống thử nghiệm hệ
thống điện tử (N-West), Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ
(NIST) đã có một cuộc họp nói về vấn đề mạng không dây quốc gia vào tháng
8 năm 1998 [5].
Cuộc họp kết thúc với một quyết định tổ chức chuẩn IEEE802. Điều
này dẫn dến hình thành các nhóm làm việc với IEEE 802.16. Kể từ đó các
thành viên các nhóm đã bắt tay vào việc phát triển của các tiểu chuẩn BWA
cố định và đi động. Nhóm làm việc với chuẩn IEEE 802.16 truy nhập băng
thông rộng không dây (BWA) chịu trách nhiệm phát triển IEEE 802.16 và
giao diện WirelessMAN.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 có chứa các đặc điểm kỹ thuật của lớp vật lý
(PHY) và lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) không dây băng thông
rộng (BWA). Phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn IEEE 802.16-2001[6] đã
được phê duyệt vào tháng 12 năm 2001 và trải qua nhiều sửa đổi với tổ chức
các tính năng và chức năng mới. Vào tháng 9 năm 2004, phiên bản hiện tại

của tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 [15] đã được phê duyệt và kết hợp tất cả
các phiên bản trước đó của các tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn này quy định các giao
diện không dây cố định cho hệ thống BWA trong giấy phép và phổ tần được
miễn cấp phép hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện. Nhóm công tác phê duyệt sửa
đổi IEEE 802.16-2005 [4] đó vào tháng 2 năm 2006. Sự tiến hóa của tiêu
chuẩn 802.16 được trình bày ngay dưới đây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


3
1.1.1. IEEE 802.16-2001
Chuẩn IEEE 802.16-2001 đặc tả sự chuẩn hóa các lớp MAC và PHY
dành cho việc cung cấp truy nhập vô tuyến băng rộng cố định trong các kết
nối điểm-điểm, điểm-đa điểm. Với kỹ thuật điều chế sóng mang đơn trong dải
tần 10-66 GHz, IEEE 802.16-2001 cung cấp sự hỗ trợ cho cả truyền hai chiều
phân chia theo thời gian (TDD) và hai chiều phân chia theo tần số (FDD). Ở
các phân lớp con, IEEE 802.16-2001 xác định lớp MAC cơ bản để phục vụ
cho tất cả các sự thay đổi của các chuẩn. Trong khi 802.11 dựa vào
CSMA/CA để quyết định khi các nút trong mạng được chấp nhận truyền, lớp
MAC của IEEE 802.16-2001 sử dụng toàn bộ các mô hình khác nhau để điều
khiển truyền dẫn.
Để cung cấp truy cập không dây băng thông rộng cố định ở một điểm-
điểm (PTP) hoặc điểm-đa điểm (PMP) phải xác định cấu trúc ở cả lớp điều
khiển môi trường truy nhập MAC và lớp PHY [4]. Lớp PHY sử dụng dải tần
hoạt động là 10-66 GHz, ta có thể gọi đó là “tầm nhìn thẳng” (LOS) viễn
thông. Trạm cơ sở (BS) được kết nối, thời gian và điều chế truyền tải, chia sẻ
với tất cả các nút trong mạng với các hình thức phát sóng đường lên (Uplink)
và ánh xạ đường xuống (Downlink maping). Thuê bao nghe các trạm cơ sở
mà chúng muốn kết nối và không cần phải lắng nghe bất kỳ nút khác trong
mạng. Các trạm thuê bao (SS) có khả năng thương lượng để phân bổ băng

thông trên một chum dữ liệu (burst) cơ sở để cung cấp lập kế hoạch có tính
linh hoạt.
Các kỹ thuật điều chế được sử dụng trong tiêu chuẩn này là QPSK, 16-
QAM và 64-QAM. Các kỹ thuật này có thể được thay đổi từ khung và SS phụ
thuộc vào khả năng kết nối. Tiêu chuẩn này hỗ trợ cả TDD và FDD. Khả năng
cung cấp sự khác biệt giữa chất lượng dịch vụ (QoS) trong lớp MAC là một
tính năng quan trọng của 802.16-2001. Kiểm tra QoS được thực hiện bởi một
định danh lưu lượng dịch vụ. Dòng chảy thông tin dịch vụ có thể được bắt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


4
nguồn từ BS hoặc SS. IEEE 802.16-2001 là công trình duy nhất trong điều
kiện Line of Sight (LOS) với thiết bị ngoài trời mặt bằng khách hàng (CPE).
Nhóm làm việc IEEE 802.16 cũng giới thiệu một số đặc điểm bảo mật.
Bảo mật trong IEEE 802.16 chủ yếu trong phân lớp con bảo mật. Mục tiêu
của phân lớp con bảo mật là cung cấp sự bảo mật dọc theo các kết nối vô
tuyến trong mạng. Để hoàn thành điều này, thực hiện mã hóa dữ liệu giữa BS
và SS. Để ngăn chặn kẻ trộm dịch vụ, SS có thể sử dụng X.509 để kiểm soát
các SS. Kể cả xác nhận là các khóa (key) và địa chỉ lớp MAC của các SS
công cộng. Chi tiết cụ thể của phân lớp con bảo mật sẽ được thảo luận trong
phần sau.
1.1.2. IEEE 802.16c-2002
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 được Hội đồng quản trị phê duyệt sửa đổi
IEEE 802.16c vào tháng 12- 2002 [5]. Sự bổ sung này để hiệu chỉnh một số
lỗi và sự mâu thuẫn trong chuẩn cơ sở, hệ thống chi tiết hồ sơ cho 10-66 GHz
đã được thêm vào. Một số lỗi và bất thường của phiên bản đầu tiên của tiêu
chuẩn đã được sửa chữa trong sửa đổi này.
1.1.3. IEEE 802.16a-2003
Phiên bản này sửa đổi IEEE 802.16-2001, bằng cách thay đổi một số

đặc điểm, cải tiến lớp kiểm soát truy, hỗ trợ đặc trưng kỹ thuật lớp vật lý và
bổ xung một số đặc trưng kỹ thuật lớp vật lý IEEE 802.16.
Nhóm công tác phê duyệt chuẩn này trong tháng 1 năm 2003 [14]. Dải
tần 2-11GHz đã được bổ sung và sửa đổi cho lớp vật lý. Cả hai dải tần được
cấp phép và được miễn giấy phép. Vì hoạt động phạm vi dưới 11 GHz No
Line of Sight (NLOS) nên có thể mở rộng phạm vi địa lý của mạng. Truyền
dẫn đa đường đã trở thành một vấn đề do hoạt động NLOS. Truyền dẫn đa
đường giảm nhẹ nhiễu giao thoa, kỹ thuật tiên tiến quản lý điện năng và các
mảng ăng ten thích nghi được đưa vào trong đặc điểm kỹ thuật [14].
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) bao gồm một số lựa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


5
chọn thay thế điều chế đơn sóng mang. Trong phiên bản này với vấn đề an
ninh được cải thiện. Một số các tính năng lớp riêng tư đã trở thành bắt buộc
trong khi ở IEEE 802.16-2001 là tùy chọn. Cấu trúc lưới liên kết với PMP là
một hỗ trợ tùy chọn trong phiên bản này của IEEE 802.16a.
Với nhiều phần tử yêu cầu các đặc tính của phân lớp con riêng tư, vấn
đề bảo mật được cải thiện. Các đặc tính riêng được sử dụng để chứng minh
chắc chắn người gửi các bản tin MAC IEEE 802.16. Tính riêng tư cũng được
hỗ trợ cho các mạng hình lưới (Mesh), nơi mà lưu lượng có thể định tuyến từ
trạm thuê bao tới trạm thuê bao. Đó là một sự thay đổi từ mô hình điểm-đa
điểm (PMP), nơi mà lưu lượng chỉ được cho phép giữa BS và SS. IEEE
802.16 thêm vào sự đặc tả lớp MAC phù hợp đã làm cho lược đồ truyền dẫn
của SS là một phần của lưới (Mesh), nhưng nó không hiện rõ với SS.
Bảng 1.1: So sánh các tiêu chuẩn IEEE 802.16 BWA [4]

IEEE 802.16-
2001

IEEE802.16a
2003
IEEE 802.16-
2004
IEEE 802.16e-
2005
Hoàn
thành
Tháng 11 năm
2011
Tháng 1 năm
2003
Tháng 12 năm
2004
Tháng 11 năm
2005
Dải tần
số
10-66 GHz
2-11 GHz
2-11 GHz
2-11 GHz
Môi
trường
truyền
LOS
NLOS
NLOS
NLOS
Băng

thông
kênh
Lên tới 134
Mbps (Dải kênh
28 MHz)
Lên tới 75 Mbps
(Dải kênh 20
MHz)
Lên tới 75 Mbps
(Dải kênh 20
MHz)
Lên tới 15 Mbps
(Dải kênh 5
MHz)
Điều chế
QPSK, 16-QAM
(optional in
UL), 64-QAM
(optional)
BPSK, QPSK,
16-QAM,
64-QAM,
256-QAM
(optional)
256 subcarriers
OFDM, BPSK,
QPSK, 16-
QAM, 64-QAM,
256-QAM
Scalable

OFDMA, QPSK,
16-QAM, 64-
QAM, 256-
QAM (optional)
Mobility
Fixed
Fixed
Fixed/Nomadic
Portable/mobile
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


6
1.1.4. Chuẩn IEEE 802.16d-2004
IEEE 802.16-2001, IEEE 802.16c-2002 và IEEE 802.16a-2003 đã được
tích hợp tất cả lại với nhau và tiêu chuẩn mới IEEE 802.16-2004 được chứng
nhận ngày 24/6/2004 và đã được công bố vào tháng 12/2004. Phiên bản này
bắt đầu được phát triển như việc đặc tả một hệ thống dưới cái tên IEEE
802.16-REVd nhưng đã đủ để công bố như là một sự tái bản thành công của
các chuẩn cơ bản IEEE 802.16. IEEE 802.16-2004 là một phiên bản được
chuẩn hóa để sử dụng cho việc chứng nhận WIMAX.
1.1.5. Chuẩn IEEE 802.16e
Nhóm công tác IEEE 802.16 hoạt động rất hiệu quả, với các ủy ban tích
cực làm việc trên các phần mở rộng thêm di động, tiêu chuẩn phù hợp và thử
nghiệm phương pháp luận. IEEE 802.16e mở rộng thêm hỗ trợ cho điện thoại
di động trạm thuê bao, được phê duyệt trong năm 2005. IEEE 802.16e đã trải
qua một số dự thảo sửa đổi. Chuẩn IEEE 802.16e-2005 được chứng nhận vào
cuối tháng 12/2005. IEEE 802.16e thêm vào đặc tính di động cho các chuẩn
hiện tại, sử dụng SOFDMA thay cho OFDM trong chuẩn IEEE 802.16d.
IEEE 802.16e cho phép chuyển giao tín hiệu tốc độ cao cần thiết cho truyền

thông với những người dùng di chuyển ở tốc độ của lưu lượng truyền thông.
1.2. Các giao thức của WIMAX
1.2.1. Các lớp giao thức
IEEE 802.16 BWA mạng tiêu chuẩn sau các kết nối hệ thống mở (OSI)
mô hình tham chiếu mạng bảy lớp còn được gọi là mô hình OSI bảy lớp. Các
khía cạnh khác nhau của một công nghệ mạng thường được mô tả bởi mô
hình này. Nó bắt đầu từ lớp ứng dụng (lớp 7) và kết thúc với vật lý (lớp 1).
Các chức năng của giao thức khác nhau được tách thành một loạt các lớp bởi
mô hình OSI, mỗi lớp sử dụng các chức năng của lớp thấp hơn và truyền dữ
liệu đến các lớp cao hơn nó. Ví dụ, giao thức Internet (IP) trong tầng định
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


7
tuyến (lớp 3) và gửi dữ liệu tới lớp cao hơn là lớp giao vận (lớp4). Nói chung,
các lớp cao hơn được thực hiện trong phần mềm và các lớp thấp hơn thực
hiện trong phần cứng.
Lớp vật lý (PHY) và liên kết dữ liệu (DLL) hoặc lớp 2 là hai lớp thấp
nhất trong mô hình OSI. Lớp liên kết dữ liệu (OSI Link Layer), được chia
thành hai lớp con. Đây là những lớp liên kết điều khiển logic (LLC-Logic link
control) và lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC- Media Access
Control). Các kết nối vật lý được thành lập bởi lớp PHY giữa hai thiết bị
truyền thông. Lớp MAC chịu trách nhiệm cho việc duy trì kết nối [2]. Trong
WIMAX/802.16 chỉ có hai lớp đầu tiên được định nghĩa và được hiển thị
trong hình1.1.



Hình 1.1: Bảy lớp mô hình OSI cho các mạng
1.2.2. Lớp vật lý (PHY)

WIMAX là một hệ thống truy cập không dây băng thông rộng (BWA).
Vì vậy, dữ liệu được truyền đi ở tốc độ cao trên giao diện không khí thông
qua sóng điện tử bằng cách sử dụng một tần số hoạt động nhất định. Lớp PHY
(bộ vật lý) kết nối giữa cả hai bên, chủ yếu ở hai hướng up link và downlink.
Kể từ khi 802.16 là một công nghệ kỹ thuật số, lớp vật lý có trách nhiệm
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data link
PHYsical
LLC (Logical Link Control)

MAC (Medium Access Layer)


Data Link Layer is
Divided into two
sublayers
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


8
truyền các chuỗi bit. Nó phân loại các loại tín hiệu được sử dụng, điều chế và
giải điều chế. Các tiêu chuẩn 802.16 xem xét băng tần 2-66 GHz. Nó được
chia thành hai phần:
a.

Phạm vi đầu tiên bắt đầu 2 đến 11 GHz và được thiết kế cho NLOS để

truyền thông. Điều này trước đây là tiêu chuẩn 802.16a. Đây là phạm vi
duy nhất hiện nay trong WIMAX.
b.

Phạm vi thứ hai là giữa 11và 66 GHz và được thiết kế cho LOS được
truyền đi. Nó không thường được sử dụng cho WIMAX tại thời điểm
hiện tại. [2] Các tiêu chuẩn 802.16 định nghĩa năm giao diện vật lý.
Các tiêu chuẩn 802.16 (và sửa đổi) được mô tả giao diện vật lý trong các
phần cụ thể. Hai chế độ song công, phân chia thời gian TDD và phân theo tần
số FDD, cả hai có thể hoạt động trong hệ thống của chuẩn 802.16. PHY
WirelessMAN-SC quy định cụ thể đối với các tần số trong khoảng 10-66 GHz
với thời gian (LOS). Nhà cung cấp dịch vụ độc quyền điều chế và mã hóa các
đề án là cơ sở của tiêu chuẩn này. Nó hỗ trợ cả hai FDD và TDD riêng biệt
cho uplink và downlink. Lớp vật lý có trách nhiệm truyền các chuỗi bit. Nó
phân loại các loại tín hiệu được sử dụng, loại điều chế và giải điều chế. Hỗ
trợ thêm các hoạt động không trong tầm nhìn thẳng tại tần số hoạt động từ 2
tới 11 GHz với các kết nối dạng mesh (lưới) cho cả người dùng cố định và
khả chuyển. Bổ sung thêm khả năng hỗ trợ người dùng di động hoạt động
trong băng tần từ 2-6 GHz với phạm vi phủ sóng từ 2-5 km để có thể sử
dụng laptop, PDA tích hợp công nghệ WIMAX. Hỗ trợ cả 2 phương thức
song công là TDD và FDD (TDD: khung đường xuống và đường lên chia sẻ
một tần số nhưng tách biệt về mặt thời gian. FDD: truyền tải các khung
đường xuống và đường lên diễn ra cùng một thời điểm, nhưng tại các tần số
khác nhau).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


9
Bảng 1.2: Năm giao diện vật lý định nghĩa trong chuẩn 802.16 [3]
Designation

Band of
Operation
Duplexing
Technique
Notes
WirelessMAN-SC
10-66GHz
TDD, FDD
Single Carrier
WirelessMAN-SCa
2-11GHz
Licensed
Band
TDD, FDD
Single Carrier
technique for NLOS
WirelessMAN-
OFDM
Licensed
Band
TDD, FDD
OFDM for
NLOSoperation
WirelessMAN-
OFDMA
Licensed
Band
TDD,FDD
OFDM Broken
intosubgroups to

providemultiple access
in asingle frequency
band.
WirelessHUMAN
2-11GHz
Licensed
Exempt
Band
TDD
May be SC, OFDM,
OFDMA. Must include
Dynamic Frequency
Selection to mitigate
interference.
Các giao diện lớp vật lý khác được đề xuất cho các tần số dưới 11 GHz
(NLOS): WirelessMAN-OFDM được gọi là OFDM và sử dụng OFDM truyền
tải. Đây là một trong các ưu điểm phù hợp nhất để cung cấp hỗ trợ cố định
trong môi trường NLOS vì sử dụng OFDM và các tính năng khác như chỉnh
sửa lỗi. Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ một phạm vi rộng các tần số hoạt động và
lớp vật lý có thể thực hiện một vài phương thức điều chế và ghép kênh.
Phương thức điều chế tại đường xuống và đường lên có thể là BPSK, QPSK,
16-QAM hoặc 64-QAM.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


10

Hình 1.2: Lớp giao thức trong IEEE 802.16
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là công nghệ
điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao. OFDM cho phép điều chế các

sóng mang phụ chồng lẫn lên nhau rất hiệu quả, làm giảm yêu cầu về băng
thông nhưng vẫn giữ được các tín hiệu trực giao mà không gây nhiễu cho các
tín hiệu khác.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao này được thực hiện
bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song
với tốc độ dữ liệu giảm đi. Mỗi một dòng số liệu này sau đó được truyền lên
những sóng mang riêng biệt được gọi là các sóng mang con (Sub-carrier). Các
sóng mang con này được điều chế trực giao với nhau bằng cách chọn tần số
cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được xếp đặt trên
miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một
kênh con là điểm không của kênh con lân cận.
Vì tính trực giao vẫn đảm bảo nên làm cho bên thu nhận có thể phân
biệt được các sóng mang con OFDM và khôi phục lại các tín hiệu này.
Hiệu quả của OFDM là yêu cầu về băng thông giảm đi rất nhiều nhờ
việc bỏ qua khoảng bảo vệ. Nhờ sự trực giao này mà hiệu quả sử dụng phổ
của toàn hệ thống tăng lên rõ rệt mà không gây ra nhiễu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


11
Số lượng sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh
và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn IEEE
802.16e cung cấp các kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với các độ rộng
kênh từ 1.25 tới 20Mhz để duy trì khoảng thời gian và khoảng dãn cách giữa
các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh. Vì thế công nghệ OFDM đảm
bảo lưu lượng băng thông rộng mà không bị hạn chế do môi trường bị che
chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn.
Các ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp OFDM
* Ưu điểm
- Tăng hiệu suất phổ và tốc độ dữ liệu.

- Ảnh hưởng của nhiễu xuyên tín hiệu ISI giảm đi đáng kể.
- Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh cũng giảm do kênh
được chia ra làm nhiều kênh phụ.
- Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng
giảm đi.
* Nhược điểm
- Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao.
- Nhạy cảm với sự dịch tần số. Sự dịch tần số sẽ làm giảm tính trực
giao của các sóng mang.
WirelessMAN-OFDMA được gọi là OFDMA và bằng cách sử dụng
OFDM truyền tải và truy cập công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ
OFDM, ứng dụng như một công nghệ đa truy nhập (OFDMA), OFDMA với
lớp PHY. Đặc điểm kỹ thuật PHY sử dụng truy cập OFDM (OFDMA) với
duy nhất một điểm được hỗ trợ về quy định biến đổi để cung cấp các dịch vụ
cố định và điện thoại di động BWA [4].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


12
Trong OFDM tất cả sóng mang được truyền song song cùng với một
biên độ. OFDMA chia không gian sóng mang thành N
G
nhóm, mỗi nhóm gồm
N
E
sóng mang và tạo thành N
E
kênh con. Trong OFDMA với trường hợp 2048
sóng mang sẽ có N
E

=32 và N
G
=48 ở luồng xuống và N
E
=32 và N
G
=53 ở
luồng lên, với các sóng mang còn lại được sử dụng cho pilot và bảo vệ.
Trong OFDMA vấn đề đa truy cập được thực hiện bằng cách cung cấp
cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Nó cho phép
một vài sóng mang con được phân chia cho nhiều người sử dụng khác nhau.
Ưu điểm của OFDMA so với OFDM được thể hiện trong bảng dưới đây
Bảng 1.3: Ƣu điểm của OFDMA so với OFDM

OFDM
OFDMA
Ghi chú
Thay đổi
cỡ FFT
Không (chỉ có
256 FT/2.5Mhz)

Có
Linh hoạt khi thiết kế hệ thống

Phân kênh
phụ UL
(Option), ít mô
hình sắp xếp

Có
Thay đổi mô hình sắp xếp các sóng
mang phụ nhằm nâng cao chất lượng
tín hiệu phù hợp với các loại dịch vụ
và người dùng cố định,
nomadic/portable hay di động
Tái sử dụng
tần số
Ít linh hoạt
Linh hoạt
OFDMA đưa ra nhiều mô hình sắp
xếp sóng mang phụ do đó dễ dàng
hơn khi triển khai tái sử dụng tần số

Scalable OFDMA (S-OFDMA)
Mạng truy cập không dây diện rộng OFDMA theo chuẩn IEEE
802.16e-2005 dành cho Mobile WIMAX dựa trên kỹ thuật S-OFDMA. Việc
mở rộng công nghệ S-OFDMA đã hỗ trợ khả năng điều chỉnh OFDMA cho
phù hợp với độ rộng kênh đang được sử dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


13
Đối với công nghệ S-OFDMA, khả năng mở rộng được hỗ trợ bằng
cách điều chỉnh kích thước FFT trong khi giữ nguyên độ rộng băng tần sóng
mang con, có nghĩa là khi độ rộng kênh thay đổi thì kích thước FFT cũng sẽ
thay đổi theo một tỷ lệ nhất định với độ rộng kênh, sao cho khoảng cách giữa
các sóng mang phụ không đổi. Do đó, băng thông sóng mang con theo đơn vị
tài nguyên và khoảng thời gian của ký hiệu được giữ nguyên, ảnh hưởng tới
các lớp cao hơn cũng được giảm tối thiểu khi lấy tỷ lệ băng thông.

Bảng 1.4: Các tham số tỷ lệ S-OFDMA
Tham số
Giá trị
Băng thông kênh hệ thống (Mhz)
1.25
5
10
20
Tần số lấy mẫu (Fp ở Mhz) (n=28/25)
1.4
5.6
11.2
22.4
Kích thước FFT (N)
128
512
1024
2048
Số kênh con
2
8
16
32
Độ rộng tần số sóng mang con
10.94 Khz
Khoảng thời gian symbol hữu ích
91.4 µs
Khoảng thời gian bảo vệ
11.4 µs
Độ dài ký hiệu OFDMA

102.9 µs
Số ký hiệu OFDMA (khung 5ms)
48
WirelessMAN-SCA được biết đến như là SCA và sử dụng điều chế đơn
sóng mang. Đây cũng là dựa trên điều chế đơn sóng mang nhằm mục tiêu đạt
phạm vi tần số cho 2-11 GHz. Kỹ thuật TDMA áp dụng trên cả hai hướng
đường lên (uplink) và đường xuống (downlink) truy cập bổ sung TDM cũng
được hỗ trợ ở đường xuống.
1.2.3. Lớp điều khiển truy nhập (MAC)
Cũng giống như chuẩn IEEE 802.16d giao thức MAC IEEE trong
802.16e được thiết kế cho những ứng dụng truy nhập không dây băng rộng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


14
theo mô hình mạng “điểm-đa điểm” (point to multipoint). Nó hướng vào nhu
cầu những tốc độ truyền theo bit rất cao tùy theo khả năng di động của trạm
đầu cuối, cả đường lên (tới BS) và đường xuống (từ BS).
Lớp MAC bao gồm 3 lớp con:
- Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt MAC CS (Convergence Sublayer):
làm nhiêm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành
gói tin định dạng theo 802.16e và chuyển xuống lớp dưới. MAC CS có 2 loại
lớp con: lớp con hội tụ ATM và lớp con hội tụ gói (Packet) dành cho các dịch
vụ dữ liệu dạng gói ví dụ như Ethernet, PPP, IP và VLAN. Chức năng cơ bản
của lớp CS là nhận dữ liệu từ lớp cao hơn, phân loại dữ liệu dạng ATM hay
dạng gói và chuyển các khung này tới lớp CPS.
- Lớp con phần chung (MAC CPS): cung cấp các chức năng như truy
cập, phân bố băng thông, thiết lập, quản lý kết nối.
- Lớp con bảo mật: cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khoá và
mã hoá.

Hình 1.3: Chi tiết phân lớp MAC trong IEEE 802.16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


15
1.2.3.1. Lớp con hội tụ (CS)
Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ nằm ở trên đỉnh của lớp MAC và
được chuẩn 802.16e định nghĩa một cách tổng thể là để ánh xạ các dịch vụ
đến và từ những kết nối MAC 802.16e.
Một ánh xạ ở đây có thể hiểu là một kết nối từ MAC-BS tới MAC-SS
với mục đích vận chuyển lưu lượng của một loại dịch vụ. Mỗi kết nối được
xác định bởi một CID (Connection Identifier) có độ dài 16 bit.
Lớp con hội tụ CS sẽ thi hành chức năng nhận các PDU từ các lớp cao
hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó tuỳ theo các dich vụ mà xử lý các PDU,
phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP
(Service Access Point) thích hợp. Do đó nhiệm vụ chủ yếu của lớp này là
phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU (Service Data Unit), ánh xạ nó vào
một kết nối MAC thích hợp tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lý QoS
và cho phép định vị dải băng thông.
Các MAC SDU sẽ được phân loại bằng cách ánh xạ nó vào một kết nối
riêng, điều đó có nghĩa là MAC SDU cũng được ánh xạ vào một luồng dịch
vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng.
Dịch vụ cụ thể lớp con hội tụ (CS) là còn được gọi là CS và đặt ở trên
lớp con MAC CPS (Hình 1.3). MAC CPS cung cấp dịch vụ cho các CS để sử
dụng thông qua điểm truy cập dịch vụ MAC (SAP). CS thực hiện những chức
năng sau đây.
Chấp nhận các PDU lớp cao hơn từ các lớp cao hơn. Hai lớp cao hơn
được cung cấp trong các thông số kỹ thuật CS của tiêu chuẩn (IEEE802.16-

2004): các chế độ chuyển giao không đồng bộ (ATM) CS và CS gói. Các giao
thức lớp cao hơn có thể có địa chỉ IPv4 (phiên bản 4) hoặc IPv6 (phiên bản 6)
cho gói CS.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên