Bảo mật trong WiMAX và thuật toán mã hóa AES_ Có Code

LỜI CAM ĐOAN


Em xin cam đoan đồ án này là kết quả tìm hiểu của bản thân em, không phải là
bản sao chép hoàn toàn của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trƣớc.
Đà Nẵng, tháng 05 năm 2011
Sinh viên thực hiện


Mai Nhật Nam















MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT 4
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX 1
1.1 Giới thiệu chƣơng: 1
1.2 Giới thiệu về công nghệ WiMAX: 1
1.3 Môi trƣờng truyền trong mạng WiMAX: 3

1.3.1 LOS (Light of Sight): 3
1.3.2 NLOS (Non-Light of Sight): 4
1.4 Cấu trúc của một hệ thống WiMAX: 5
1.4.1 Cấu trúc phân lớp: 5
1.4.2 Lớp PHY: 5
1.4.2.1 Các giao diện: 6
1.4.2.2 TDD và FDD: 8
1.4.3 Lớp MAC: 10
1.4.3.1 Cấu trúc lớp MAC: 10
1.4.3.2 Kỹ thuật truy cập kênh: 14
1.4.3.3 Chất lƣợng dịch vụ QoS: 14
1.4.3.4 Hỗ trợ di động: 16
1.4.3.5 Quản lý nguồn năng lƣợng: 17
1.5 Kết luận chƣơng: 17
Chƣơng 2. CÁC KỸ THUẬT BẢO MẬT TRONG WiMAX 18
2.1 Giới thiệu chƣơng: 18
2.2 Cơ bản về bảo mật WiFi: 18
2.2.1 Bảo mật bằng WEP (Wired Equivalent Access): 19
2.2.2 Bảo mật bằng WPA (Wifi Protected Access): 20
2.3 Các kỹ thuật bảo mật trong WiMAX: 22
2.3.1 Liên kết bảo mật SA (Security Association): 22
2.3.1.1 DSA (Data Security Association): 23
2.3.1.2 ASA (Authorization Security Association): 25
2.3.2 Cơ sở chứng thực: 27
2.3.2.1 HMAC (Hashed Message Authentication Code): 27
2.3.2.2 Chứng nhận X.509: 28
2.3.2.3 Giao thức chứng thực mở rộng (EAP): 29
2.3.3 Giao thức bảo mật và quản lý khóa: 30
2.3.3.1 Chứng thực và trao đổi khóa AK: 30
2.3.3.2 Trao đổi TEK: 31

2.3.4 Mã hóa dữ liệu: 33
2.3.5 Kết luận chƣơng: 33
Chƣơng 3. THUẬT TOÁN MÃ HÓA AES 34
3.1 Giới thiệu chƣơng 34
3.2 Các khái niệm toán học của AES 34
3.2.1 Phép cộng 34
3.2.2 Phép nhân 35
3.2.3 Đa thức với các hệ số trong trƣờng hữu hạn GF(2
8
) 36
3.3 Quá trình mã hóa bằng thuật toán AES 39
3.3.1 Thuật toán mã hóa của AES 39
3.3.2 Thủ tục biến đổi SubBytes() 41
3.3.3 Thủ tục biến đổi ShiftRows() 43
3.3.4 Thủ tục biến đổi MixColumns() 43
3.3.5 Thủ tục biến đổi AddRoundKey() 44


3.4 Quá trình mở rộng khóa của AES 45
3.4.1 Các bƣớc của quá trình mở rộng khóa 45
3.4.2 Thiết lập ma trận khởi tạo 46
3.4.3 Thủ tục biến đổi RotWord() 46
3.4.4 Thủ tục XOR với Từ hằng số vòng Rcon[r] 47
3.4.5 Thủ tục XOR với các Từ đƣợc tạo ra trƣớc 48
3.5 Quá trình giải mã AES 48
3.5.1 Thủ tục biến đổi InvShiftRows() 50
3.5.2 Thủ tục biến đổi SubByte() 50
3.5.3 Thủ tục biến đổi InvMixColumns() 51
3.5.4 Thủ tục AddRoundKey() 51
3.5.5 Sự lựa chọn Round Key 51

3.6 Ƣu nhƣợc điểm của AES 53
3.6.1 Ƣu điểm 53
3.6.2 Nhƣợc điểm 53
3.6.3 Các phƣơng pháp tấn công 54
3.7 Kết luận chƣơng 55
Chƣơng 4. CHƢƠNG TRÌNH MÃ HÓA BẰNG THUẬT TOÁN AES 56
4.1 Giới thiệu chƣơng 56
4.2 Mục đích của chƣơng trình 56
4.3 Giao diện chính của chƣơng trình 56
4.4 Mã hóa 59
4.4.1 Trƣờng hợp bản gốc và khóa mã là chuỗi hexa 59
4.4.2 Trƣờng hợp bản gốc và khóa mã là chuỗi ký tự 60
4.4.3 Trƣờng hợp bản gốc là chuỗi ký tự và khóa mã là chuỗi hexa 60
4.4.4 Trƣờng hợp bản gốc là chuỗi hexa và khóa mã là chuỗi ký tự 61
4.4.5 Nhận xét 62
4.5 Giải mã 62
4.5.1 Giải mã với khóa mã là chuỗi hexa 62
4.5.2 Giải mã với khóa mã là chuỗi hexa 63
4.5.3 Nhận xét 63
4.6 Tấn công bằng phƣơng pháp Brute Force 64
4.6.1 Với khóa mã có độ dài nhỏ hơn 128 bit 64
4.6.1.1 Nhận xét 65
4.6.2 Với khóa mã có độ dài bằng 128 bit 65
4.6.2.1 Khóa mã là chuỗi ký tự 65
4.6.2.2 Nhận xét 67
4.7 Kết luận chƣơng 67
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
PHỤ LỤC 69

CÁC TỪ VIẾT TẮT
AAS Adaptive Antenna System
ACI Adjacent Channel Interference
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Loop
AES Advanced Encryption Standard
ARQ Automatic Retransmission Request
ASA Authorization Security Association
ATM Network Asynchronous Transfer Mode
BPSK Binary Phase Shift Keying
BS Base Station
BTC Block Turbo Code
CBR Constant Bit Rate
CI CRC Indicator
CID Connection Identifier
CPE Customer Premise Equipment
CPS Common Part Sublayer
CRC Cyclic Redundancy Checks
CS Centralized Scheduling
CSMA Carrier Sense Multiple Access
CTC Concatenated Turbo Code
DES Data Encryption Standard
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
DHMAC Downlink Hash-based Message Authentication Code
DL-MAP Downlink Map
DL-MAP Downlink Map

DoS Denial of Service
DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification
DSL Digital Subscriber Line
DSA Data Security Association
EAP Extensible Authentication Protocol
EC Encryption Control
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
EKS Encryption Key Sequence
ERT-VR Extended Real Time Variable
FDD Frequency Division Multiplexing
FEC Forward Error Correction


FFT Fast Fourier Transformation
GMH Generic Mac Header
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communications
HCS Header Check Sequence
HT Header Type
IEEE Institute of Electrical anh Electronics Engineers
ITU International Telecommunication Union
IV Initialising Vectors
LEN Length
LOS Line Of Sight
MAC Media Access Control
MAC CPS Mac Common Part Sublayer
MAC CS Mac Service Specific Convergence Sublayer
MAC PDU MAC Protocol Data Unit
MSDU Mac Service Data Unit
NLOS Non Line Of Sight

nrtPS Non Real Time Polling Service
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PDA Persional Digital Assitant
PDU Protocol Data Units
PHY Physical Layer
PKM Privacy Key Management
PMP Point MultiPoint
PS PHY Slots
16QAM 16-State Quadrature Amplitude Modulation
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
SC Single Carrier
SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio
SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing
SS Subscriber Station
SSCS Service-Specific Convergence Sublayer
TDD Time Division Duplexing
TDMA Time Division Multiple Access
TEK Traffic Encrytpion Key
TKIP Temporal Key Integrity Protocol
UGS Unsolicited Grant Service


UL-MAP Uplink Map
VoIP Voice over IP
Wi-Fi Wireless Fidelity
WiLANs Wireless Local Area Networks
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
WirelessHUMAN Wireless HighSpeed Unlicensed Metropolitan Area Networks
WISPs Wireless Internet Providers

WMAN Wireless Metropolitan Area Network
WEP Wired Equivalent Privacy
WPA Wifi Protocol Access

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với xu thế phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật, công nghệ thông
tin và viễn thông là hai lĩnh vực có những bƣớc tiến rõ nét nhất. Trong đó, công
nghệ mạng không dây đang ngày một phát triển và đang trở nên phổ biến trong các
tổ chức, doanh nghiệp Và WiMAX là một trong những công nghệ không dây đang
đƣợc quan tâm nhất hiện nay. Nó có khả năng cung cấp kết nối vô tuyến băng rộng
với tốc độ truy cập cao và cự ly vùng phủ sóng lớn. Tuy nhiên, cũng giống nhƣ các
mạng không dây khác, nhƣợc điểm lớn nhất của WiMAX là tính bảo mật do sự chia
sẻ môi trƣờng truyền dẫn và những lỗ hổng tại cơ sở hạ tầng vật lý.
Tính bảo mật của mạng không dây WiMAX dựa trên ba quá trình cơ bản là
chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa dữ liệu. Chứng thực giữa hai thiết bị là bƣớc
đầu tiên trong quá trình nghiên cứu bảo mật mạng không dây. Từ đó xác định tính
an toàn của các thiết bị để chúng tiếp tục thực hiện quá trình trao đổi khóa. Dựa trên
các khóa mã đƣợc trao đổi giữa BS và SS, hệ thống thực hiện việc mã hóa bằng
thuật toán AES các thông tin cần thiết và truyền đi trong mạng.
Đồ án này sẽ đi tìm hiểu quá trình bảo mật mạng WiMAX, đó là quá trình
chứng thực và trao đổi khóa đƣợc thực hiện khi thiết lập cơ chế bảo mật mạng dựa
trên cấu trúc khung các bản tin trao đổi giữa BS và SS. Bên cạnh đó trình bày chi
tiết về thuật toán mã hóa AES đƣợc dùng trong mạng WiMAX. Sử dụng phần mềm
Matlab để mô phỏng quá trình mã hóa và giải mã dựa vào thuật toán AES, bên cạnh
đó ta đi mô phỏng tấn công bằng phƣơng pháp Brute Force để thể hiện tính bảo mật
thông tin khi sử dụng thuật toán mã hóa AES.
Đồ án đƣợc chia thành bốn chƣơng đƣợc trình bày nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Chƣơng này sẽ giới thiệu đến ngƣời đọc một số vấn đề cơ bản về mạng
WiMAX, cấu trúc và các kỹ thuật đƣợc sử dụng trong các lớp PHY và MAC của
mạng không dây WiMAX.
Chƣơng 2: Các kỹ thuật bảo mật trong WiMAX
Chƣơng này sẽ giới và mô tả quá trình bảo mật của mạng WiMAX. Bao gồm

quá trình chứng thực, quá trình trao đổi khóa và quá trình mã hóa dữ liệu. Dựa vào


cấu trúc khung các bản tin, các chứng nhận số và các giao thức trao đổi thông tin
trong mạng.
Chƣơng 3 : Thuật toán mã hóa AES
Chƣơng này trình bày chi tiết các thủ tục đƣợc dùng trong quá trình mã hóa và
giải mã sử dụng thuật toán AES. Đƣa ra các ƣu nhƣợc điểm của thuật toán này cùng
một số phƣơng án tấn công đã có thể gây ảnh hƣởng đến thuật toán mã hóa AES
cũng nhƣ mạng WiMAX.
Chƣơng 4: Chƣơng trình mô phỏng thuật toán mã hóa AES
Chƣơng này ta sẽ thực hiện mã hóa và giải mã các trƣờng hợp dữ liệu đầu vào
khác nhau, và thực hiện mô phỏng việc tấn công để tìm khóa mã bằng phƣơng pháp
Brute Force để chứng tỏ rằng trong thời điểm hiện tại thuật toán này mang tính bảo
mật cao.
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này em đã nhận đƣợc sự giúp đỡ, hƣớng dẫn
tận tình của Thầy Ths.Nguyễn Duy Nhật Viễn, em xin chân thành cảm ơn Thầy.
Đồng thời, em cũng rất cảm ơn tất cả Thầy Cô thuộc khoa Điện Tử Viễn Thông,
Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã nhiệt tình dạy dỗ em trong suốt 5 năm học tập tại
trƣờng.
Do trình độ, kiến thức cũng nhƣ thời gian có hạn, cho nên trong đồ án này
chắc chắn còn nhiều sai sót, mong quý Thầy Cô đóng góp ý kiến để em có thể hoàn
thiện kiến thức của mình hơn nữa.

Đà Nẵng, ngày 16 tháng 05 năm 2011
Sinh viên thực hiện


Mai Nhật Nam

Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 1

Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX

1.1 Giới thiệu chƣơng:
Chƣơng này giới thiệu về WiMAX, giới thiệu qua các chuẩn IEEE 802.16,
802.16 OFDM, 802.16-2004 OFDMA, 802.16e và tìm hiểu khái quát về lớp MAC
và PHY trong WiMAX. Qua đó thấy đƣợc những ƣu nhƣợc điểm của WiMAX so
với các thế hệ trƣớc.
1.2 Giới thiệu về công nghệ WiMAX:
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là tiêu chuẩn
IEEE 802.16 cho việc kết nối Internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách
lớn.
Ngày nay để truy nhập vào Internet chúng ta có rất nhiều phƣơng thức, nhƣng
chia ra làm hai mảng chính là truy cập có dây và không dây. Đối với kênh truyền có
dây thì tốc độ đáp ứng cao hơn, ổn định hơn nhƣng lại cần có đƣờng dây kết nối,
các đƣờng thuê kênh riêng thì giá thành cao mà không dễ dàng triển khai đối với
các khu vực có địa hình phức tạp. Cũng chính từ những khó khăn đó ngƣời ta lại tạo
ra mạng vô tuyến nhƣ các hệ thống thông tin di động, công nghệ WiFi, WiMAX…
Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbit/s quá thấp so với
nhu cầu ngƣời sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM nhƣ GPRS (2.5G) cho
phép truy cập ở tốc độ lên đến 171,2Kbit/s hay EDGE khoảng 300-400Kbit/s cũng
chƣa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet.
Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vƣợt
quá 2Mb/s. Với mạng WiFi chỉ có thể áp dụng cho các thiết bị trao đổi thông tin với
khoảng cách ngắn. Với thực tế nhƣ vậy, WiMAX ra đời nhằm cung cấp một phƣơng

tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và Wifi. Hệ
thống WiMAX có khả năng cung cấp đƣờng truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và
với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km. Mô hình phủ sóng
của mạng WiMAX tƣơng tự nhƣ mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMAX


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 2

cũng hoạt động mềm dẻo nhƣ Wifi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính muốn
truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất.
Hệ thống WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (ngƣời sử
dụng có thể di chuyển nhƣng cố định trong lúc kết nối), mang xách đƣợc (ngƣời sử
dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ), di động với khả năng phủ sóng của một trạm
anten phát lên đến 50km dƣới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) và bán kính lên
tới 8 km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS).
Gồm có 2 phần:
WiMAX cố định (Fixed WiMAX)
WiMAX di động (Mobile WiMAX)
WiMAX cố định cung cấp khả năng truy cập đƣợc mạng không dây ở vị trí cố
định, ít di chuyển hay có thể di chuyển ở tốc độ thấp. Đây là một mệnh đề thƣờng
xuyên đƣợc sử dụng để chỉ đến những hệ thống đƣợc xây dựng trên chuẩn 802.16d.
WiMAX di động cung cấp khả năng truy cập đƣợc mạng không dây khi thiết
bị kết nối đang di chuyển với tốc độ cao. Đây là một mệnh đề thƣờng xuyên đƣợc
sử dụng để chỉ đến những hệ thống đƣợc xây dựng trên chuẩn 802.16e. WiMAX di
động bao hàm luôn cả WiMAX cố định.
Hình 1.1. Sự kết nối BS và SS trong mạng WiMAX


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX

Đồ án tốt nghiệp Trang 3

1.3 Môi trƣờng truyền trong mạng WiMAX:
Trong vô tuyến chia ra 2 loại môi trƣờng truyền chính là LOS (truyền theo tầm
nhìn thẳng) và NLOS (truyền không theo tầm nhìn thẳng). Công nghệ WiMAX phát
triển và tối ƣu hóa cho ra đời khả năng phủ sóng không theo tầm nhìn thẳng, trong
khi nhiều công nghệ chỉ cung cấp khả năng phủ sóng LOS.
Công nghệ WiMAX có khoảng cách phủ sóng lên tới 50km ở môi trƣờng
LOS, bán kính cell lên đến 8km ở điều kiện NLOS.

Hình 1.2. Môi trƣờng truyền LOS và NLOS
1.3.1 LOS (Light of Sight):
Trong một đƣờng truyền NLOS, tín hiệu đi theo đƣờng trực tiếp và không có
chƣớng ngại vật giữa phía phát và phía thu. Một đƣờng truyền LOS yêu cầu phải có
đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chƣớng ngại vật. Nếu không
đảm bảo điều kiện này tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể. Không gian miền Fresnel phụ
thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu.

Hình 1.3. Truyền sóng trong môi trƣờng LOS


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 4

Dịch vụ truy cập LOS dùng anten hƣớng thẳng trực tiếp đến các tòa nhà hay
các điểm tập trung sử dụng dịch vụ. Kết nối LOS thì mạnh và ổn định hơn, vì thế
mà việc gởi dữ liệu theo đƣờng này sẽ ít xảy ra lỗi.
1.3.2 NLOS (Non-Light of Sight):
Trên một đƣờng truyền NLOS, tín hiệu tới phía thu thông qua sự phản xạ và
nhiễu xạ. Tín hiệu tới là tổng hợp các thành phần nhận đƣợc từ đƣờng đi trực tiếp,

các đƣờng phản xạ, năng lƣợng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ. Những tín hiệu
này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan
tới đƣờng trực tiếp là khác nhau.

Hình 1.4. Truyền sóng trong môi trƣờng NLOS
Do mạng tế bào không ngừng mở rộng trong khi sử dụng lại tần số ngày càng
có hạn, hạ thấp các anten chính là ƣu điểm để giảm nhiễu đồng kênh giữa các cell
lân cận. Tuy nhiên điều này lại làm cho các trạm gốc phải hoạt động trong điều kiện
NLOS. Các hệ thống LOS không thể hạ thấp độ cao của anten bởi làm thế sẽ ảnh
hƣởng đến tầm nhìn thẳng từ CPE (thiết bị tại nhà khách hàng) tới trạm gốc. Công
nghệ NLOS cũng giảm đƣợc chi phí cài đặt do CPE có thể cài đặt đƣợc ở nhiều điều
kiện địa hình phức tạp. Không những thế, công nghệ này cũng giảm thiểu đƣợc yêu
cầu khảo sát vị trí trạm (trƣớc khi lắp đặt) và nâng cao độ chính xác của các công cụ
hoạch định NLOS.


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 5

1.4 Cấu trúc của một hệ thống WiMAX:
1.4.1 Cấu trúc phân lớp:
Hệ thống WiMAX đƣợc phân chia thành 4 lớp:
 Lớp con tiếp ứng (Convergence)
 Lớp đa truy nhập (MAC layer)
 Lớp truyền dẫn (Transmission)
 Lớp vật lý (Physical)
Các lớp này tƣơng đƣơng với hai lớp dƣới của mô hình OSI và đƣợc tiêu
chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên nhƣ mô tả ở hình dƣới
đây.

Hình 1.5. Cấu trúc hệ thống WiMAX
Chúng ta sẽ đi tìm hiểu về 2 lớp quan trọng nhất trong 4 lớp trên: lớp PHY và
lớp MAC.
1.4.2 Lớp PHY:
Hệ thống IEEE 802.16 PHY hoạt động trong dải tần số 2-11GHz đƣợc thiết kế
cho NLOS, tốc độ truyền dữ liệu là 1-75Mbps. Các loại điều chế bao gồm:
 QPSK, 16QAM, 64QAM, (256QAM).
 Single Carrier.
 OFDM 256 Subcarrier.
PHY sử dụng anten định hƣớng và hai loại phƣơng pháp song công:


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 6

 TDD.
 FDD.
Lớp PHY là lớp chịu trách nhiệm về quá trình truyền của khung. Giao diện đầu
tiên của nó là WirelessMAN-SC. Nó hoạt động trong dải tần số 10-66GHz, đƣợc
thiết kế để ứng dụng trong LOS và thông qua điều chế sóng mang đơn. Nó đƣợc
chọn bởi vì nó đủ lớn để cung cấp cho mạng viễn thông không dây băng thông rộng.
Do tầm quan trọng trong việc quảng cáo ngày càng tăng trong dải tần số 2-11GHz
cho NLOS nên một nhóm làm việc trong IEEE 802.16 đã phát triển thêm 3 loại giao
diện. Ba loại giao diện mới là: WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM và
WirelessMAN-OFDMA.
 WirelessMAN-SCa: đây là giao diện sử dụng điều chế sóng mang đơn.
 WirelessMAN-OFDM: sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
với 256 sóng mang.
 WirelessMAN-OFDMA: sử dụng truy cập ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao với 2048 sóng mang để cung cấp nhiều hơn một sóng mang trên

một trạm thuê bao SS.
Ngày nay, do FFT cho phép làm việc với số lƣợng sóng mang lớn nên
WirelessMAN-HUMAN đã ra đời.
1.4.2.1 Các giao diện:
1.4.2.1.1 Đặc tả WirelessMAN-SCa:
WirelessMAN-Sca dựa vào công nghệ điều chế sóng mang đơn. Các thành
phần trong PHY này gồm:
 Các định nghĩa TDD và FDD, một trong hai phải đƣợc hỗ trợ.
 Đƣờng lên TDMA, đƣờng xuống TDM hoặc TDMA.
 Điều chế thích ứng Block và mã hóa FEC cho cả đƣờng lên và đƣờng xuống.
 Cấu trúc khung mà cho phép sự cân bằng và chỉ tiêu đánh giá kênh đƣợc cải
thiện đối với môi trƣờng LOS và các môi trƣờng trải rộng trễ đƣợc mở rộng.


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 7

 FEC ràng buộc vào nhau sử dụng Reed-Solomon và điều chế đƣợc mã hóa
mắt lƣới thực dụng với chèn tùy chọn.
 Các tùy chọn FEC BTC và CTC bổ sung.
 Tùy chọn không FEC sử dụng ARQ cho điều khiển lỗi.
 Tùy chọn phân tập truyền mã hóa thời gian không gian (STC).
 Các thiết lập tham số và các bản tin MAC/PHY mà thuận tiện cho các bổ
sung AAS tùy chọn.
1.4.2.1.2 Đặc tả WirelessMAN-OFDM:
WirelessMAN-OFDM PHY dựa vào điều chế ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao (OFDM) với 256 sóng mang. Đa truy cập của các trạm thuê bao khác nhau
dựa vào đa truy cập phân chia thời gian (TDMA).
 Lớp PHY OFDM hỗ trợ các hoạt động TDD và FDD, với hỗ trợ cho các SS
cả FDD và H-FDD.

 Mã hóa sửa lỗi trƣớc FEC: một lƣợc đồ mã xoắn RS-CC tốc độ thay đổi
đƣợc kết hợp, hỗ trợ các tốc độ mã hóa 1/2, 2/3, 3/4 và 5/6. BTC tốc độ thay đổi
(tùy chọn) và mã CTC cũng đƣợc hỗ trợ tùy chọn.
 Chèn (Interleaving).
 Điều chế: Chuẩn hỗ trợ các mức điều chế, gồm BPSK, QPSK, 16-QAM và
64-QAM.
 Hỗ trợ phân tập phát ở đƣờng xuống sử dụng STC và các hệ thống anten
thích nghi (AAS) với SDMA. Lƣợc đồ phân tập sử dụng hai anten ở BS để truyền
một tín hiệu đƣợc mã hóa STC.
 Truyền kênh con ở đƣờng lên là một tùy chọn cho một SS, và sẽ chỉ đƣợc
sử dụng nếu các tín hiệu BS có khả năng giải mã các truyền dẫn nhƣ vậy.
1.4.2.1.3 Đặc tả WirelessMAN-OFDM:
Lớp PHY OFDMA WirelessMAN cũng có thiết kế dựa trên điều chế OFDM,
sử dụng lƣợc đồ 2048 sóng mang OFDM. Đa truy cập đƣợc thực hiện bằng cách
gán một tập con các sóng mang cho một máy thu cá nhân, và vì vậy nó đƣợc xem
nhƣ là OFDMA.


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 8

Lớp PHY OFDMA hỗ trợ hai hoạt động TDD và FDD.
CC (mã xoắn) là lƣợc đồ mã hóa đƣợc yêu cầu và các tốc độ mã hóa giống
nhau đƣợc hỗ trợ nhƣ đƣợc hỗ trợ bởi lớp PHY OFDM. Các lƣợc đồ mã hóa BTC
và CTC đƣợc hỗ trợ tùy chọn. Các mức điều chế giống nhau cũng đƣợc hỗ trợ. STC
và AAS với SDMA đƣợc hỗ trợ, cũng nhƣ MIMO.
1.4.2.2 TDD và FDD:
1.4.2.2.1 Hệ thống FDD (Frequency Division Duplexing System):
Trong các hệ thống FDD các đƣờng UL và DL đƣợc cấp phát riêng biệt trên
các dải tần số. Các kênh UL và DL đƣợc nhóm vào trong các khối kề nhau của từng

cặp kênh nhƣ hình bên dƣới. Một cặp kênh UL và DL bị chia cắt bởi tần số
100MHz.

Hình 1.6. Phổ trong hệ thống FDD
Ƣu điểm của hệ thống FDD
 Truyền UL và DL đồng thời và liên tục: Hệ thống FDD cung cấp sự hoạt
động song công có ứng dụng rất phổ biến nhƣ thoại, nơi mà lƣu lƣợng của UL
và DL yêu cầu không cần đối xứng. Hơn nữa, sự truyền liên tục giúp làm giảm
trể lớp MAC bằng cách cho phép sự phản hồi trực tiếp để cung cấp cho các
yêu cầu kênh truyền.
 Giảm giao thoa của hệ thống: Nhờ khoảng cách lớn giữa 2 đƣờng UL và DL,
từ BS đến BS, từ SS đến SS giao thoa xảy ra sẽ giảm xuống đáng kể.
 Giảm đi việc lập kế hoạch mạng: Một khi sự giao thoa của BS-BS đƣợc giảm
nhỏ, network radio planning thì dễ dàng hơn cho các hệ thống FDD.

Nhƣợc điểm của các hệ thống FDD


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 9

 Phân bố kênh cố định: Trong hệ thống FDD sự phân bố kênh UL và DL
đƣợc ấn định. Trong khi nó cung cấp các lợi ích cho các lƣu lƣợng đối xứng,
nó có thể dẫn đến việc các băng thông bị bỏ hoang trong khi các ứng dụng thì
không đối xứng. Dẫn đến lƣu lƣợng dữ liệu và việc truy cập internet bị ảnh
hƣởng lớn, băng thông cần thiết của ngƣời dùng cho việc tận dụng các kênh
truyền một cách linh động trở nên quan trọng hơn.
 Băng bảo vệ: FDD yêu cầu một băng bảo vệ để phân chia kênh cho đƣờng UL
và DL.
 Chi phí phần cứng cao: FDD yêu cầu một máy phát, một thiết bị thu chuyên

biệt và một bộ phối hợp. Hơn nữa, bộ lọc RF đƣợc yêu cầu cô lập với hai
đƣờng UL và DL. Các chi phí trên cao thì cũng có thể chấp nhận tại các BS
nhƣng tại các SS thƣờng sử dụng FDD bán song công (H-FDD) nhằm mục
đích đƣa các chi phí ở đây hạ thấp.
1.4.2.2.2 Hệ thống TDD (Time Division Duplexing System):
Một hệ thống TDD không yêu cầu các cặp kênh tần số cho đƣờng UL và DL
cũng không yêu cầu một băng bảo vệ. Thay vào đó hệ thống TDD sử dụng cùng
một kênh cho hai đƣờng truyền UL và DL nhƣng xét trong miền thời gian. Mỗi
kênh gồm có một đƣờng dành cho DL và một dành cho khung con của đƣờng UL
nhƣ hình mô tả bên dƣới.

Hình 1.6. Cấu trúc TDD
Hệ thống TDD sử dụng các băng bảo vệ giữa đƣờng truyền từ DL đến UL và
từ UL đến DL. Các băng bảo vệ này đƣợc gọi là TTG (Transmit/receive Transition
Gap) và RTG (Receive/transmit Transition Gap). Nói chung là các TTG thì lớn hơn


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 10

RTG để cho phép thời gian trễ lên xuống của tín hiệu từ viền của các sestor là chấp
nhận đƣợc.
Ƣu điểm của hệ thống TDD
 Linh hoạt trong việc cấp dải thông cho UL và DL: Hệ thống TDD thì linh
hoạt trong việc cấp phát dải thông cho UL và DL một cách đơn giản, bằng
cách thay đổi khoảng cách giữa các khung con.
 Chi phí phần cứng rẻ hơn FDD: Các chi phí phần cứng của hệ thống TDD
thì rẻ hơn hệ thống FDD bởi vì các bộ tạo dao động và các bộ lọc đƣợc dùng
chung cho cả hai đƣờng UL và DL.
Nhƣợc điểm của hệ thống TDD

 Vấn đề giao thoa: Giao thoa trong hệ thống TDD xuất hiện tại vị trí các BS
gần nhau gây ra sự không đồng bộ với các khung và sự bất đối xứng của UL
và DL.
 Giao thoa khi sử dụng: Khi có nhiều hoạt động thực hiện trong một vùng địa
lý điều này có thể làm cho các cell của những hoạt động khác nhau bị chồng
lên nhau gây ra hiện tƣợng giao thoa giữa các kênh cạnh nhau(ACI-adjacent
channel interference). Các sự hoạt động cần phải góp phần để cho việc xảy ra
ACI là nhỏ nhất(ví dụ nhƣ ta có thể đặt một vật chắn vật lý giữa các BS sử
dụng những kênh kề nhau), tuy nhiên trên thực tế điều này không xảy ra đƣợc
và giải pháp cho trƣờng hợp này sẽ để lại một băng bảo vệ khá lớn giữa các
băng đã sử dụng.
1.4.3 Lớp MAC:
1.4.3.1 Cấu trúc lớp MAC:

Lớp MAC bao gồm 3 lớp con:
 Lớp con quy tụ dịch vụ chuyên biệt (SSCS) cung cấp một giao diện đến các
lớp trên thông qua một điểm truy cập dịch vụ CS (SAP-service access point).


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 11

 Lớp con phần chung (CPS-common part sublayer) cung cấp các chức năng
cho phần lõi của lớp MAC, chẳng hạn nhƣ tạo lập đƣờng uplink, yêu cầu
băng thông, điều khiển kết nối, tự động yêu cầu lặp lại (ARQ).
 Lớp con bảo mật (PS-Privacy Sublayer) cung cấp việc chứng nhận và thực
hiện mã hóa dữ liệu.
Hình 1.7. Lớp MAC
Nhiệm vụ đầu tiên của lớp MAC cung cấp một giao diện lớp vận chuyển bật
cao và lớp vật lý. Lớp MAC mang những gói từ các lớp trên-các gói này đƣợc gọi là

các đơn vị dịch vụ dữ liệu MAC (MAC service data units-MSDUs) và tập hợp
chúng vào trong giao thức đơn vị dữ liệu MAC (MAC protocol data units-MPDUs)
cho việc truyền trong không khí. Chuẩn IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005
thiết kế lớp MAC bao gồm lớp con quy tụ để có thể giao tiếp với các giao thức lớp
cao hơn, chẳng hạn nhƣ ATM, TDM voice, Ethernet, IP và nhiều giao thức chƣa
đƣợc công bố.
Lớp MAC đƣợc thiết kế từ cơ bản đến việc hỗ trợ tốc độ cao của đỉnh bit trong
khi phát các bản tin chất lƣợng dịch vụ giống nhƣ ATM hay DOCSIS. Lớp MAC
WiMAX sử dụng chiều dài MPDU thay đổi và đƣa ra nhiều phƣơng thức truyền để
mang lại hiệu quả cao nhất. Ví dụ, nhiều MPDU có chiều dài giống hay khác nhau



Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 12

có thể tập hợp vào trong một burst đơn lƣu giữ ở đầu của lớp PHY. Tƣơng tự, nhiều
MPDU từ các dịch vụ lớp cao hơn có lẽ đƣợc nối với nhau vào trong một MPDU
đơn để lƣu vào đầu header của lớp MAC. Ngƣợc lại, những MSDU lớn đƣợc chia
thành những đoạn MPDU nhỏ hơn và đƣợc gởi qua nhiều khung nhịp.
Hình bên dƣới là ví dụ cho các khung dạng MAC PDU(packet data unit) khác
nhau. Mỗi khung MAC đƣợc gắn vào một header chung GMH(generic MAC
header) chứa thông tin nhận dạng kết nối CID(connection identifier), chiều dài
khung và 32 bít CRC, các header con, phần dữ liệu đã mã hóa. Phần tải trọng của
lớp MAC mang thông tin vận chuyển hoặc sử dụng để quản lý. Ngoài các MSDU,
phần tải trọng vận chuyển có thể chứa thông tin yêu cầu băng thông hay yêu cầu
đƣợc truyền lại. Kiểu của tải trọng mang thông tin vận chuyển đƣợc nhận biết bằng
phần header con đứng ngay trƣớc nó. Ví dụ về header con thông qua việc đóng gói
và phân đoạn header con. Lớp MAC của WiMAX cũng hỗ trợ cơ chế ARQ dùng để
yêu cầu phát lại những MSDU đã phân mảnh hoặc chƣa phân mảnh. Độ dài khung

lớn nhất là 2047 byte đƣợc đại diện bởi 11 bít trong phần GMH.
Bảng 1.1 : Các ví dụ khác nhau của khung MAC PDU
GMH
SH
Gói MSDU
có kích
thƣớc cố
định
Gói MSDU
có kích
thƣớc cố
định

Gói MSDU
có kích
thƣớc cố
định
CRC

(a) Các MSDU có độ dài riêng biệt cố định đƣợc đóng gói cùng nhau

GMH
SH
khác
FSH
MSDU
CRC

(b) Một MSDU đơn phân mảnh

Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 13

GMH
SH
PSH
Kích
thƣớc
MSDU có
thể thay
đổi hay 1
đoạn
PSH
Kích thƣớc
MSDU có
thể thay
đổi hay 1
đoạn
…
CRC

(c) Các MSDU có độ dài lớn đƣợc đóng gói cùng nhau

GMH
SH
khác
ARQ Feedback
CRC

(d) ARQ mang thông tin


(e) ARQ and MSDUs payload

GMH
Bản tin quản lý MAC
CRC

(f) Khung quản lý MAC
Với
CRC: Cyclic Redundancy Check
FSH: Fragmentation Subheader
GMH: Generic MAC Header
PSH: Packing Subheader
SH: Subheader
GMH
SH
khác
FSH
ARQ
Feedback
PSH
Kích thƣớc MSDU có
thể thay đổi hay 1 đoạn
CRC


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX

Đồ án tốt nghiệp Trang 14

1.4.3.2 Kỹ thuật truy cập kênh:
Trong WiMAX, lớp MAC ở các BS chịu trách nhiệm cấp phát băng thông cho
tất cả ngƣời sử dụng, ở cả hai đƣờng uplink và downlink. Chỉ có trong thời gian các
MS thực hiện một vài điều khiển về việc chỉ định dải thông thì khi đó nó sẽ có
nhiều phiên hay nhiều kết nối với các BS. Trong trƣờng hợp đó thì BS sẽ cấp phát
dải thông đến MS, và tại MS sẽ đƣợc chia ra nhiều phần cho nhiều kết nối. Còn lại
tất cả việc lập lịch khác trên đƣờng uplink và downlink đều do các BS giải quyết.
Đối với đƣờng downlink, các BS có thể cấp phát dải thông cho mỗi MS dựa trên
những nhu cầu về lƣu lƣợng đến mà không cần thông tin yêu cầu từ MS. Ngƣợc lại
đối với đƣờng uplink, mọi sự cấp phát đều phải thông qua các yêu cầu từ MS.
BS cấp phát tài nguyên dùng chung hay chia sẻ đến mỗi MS, có thể dùng để
yêu cầu băng thông. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình kiểm tra tuần tự (Polling).
Polling có thể thực hiện cho từng MS (dùng unicast) hay một nhóm các MS
(multicast). Việc sử dụng multicast polling đƣợc dùng khi băng thông sử dụng bị
thiếu do dùng quá nhiều MS. Khi polling đƣợc dùng trong multicast, sự phân chia
khe cho việc yêu cầu băng thông là một khe dùng chung. WiMAX định nghĩa sự
truy cập tranh chấp và kỹ thuật phân giải cho trƣờng hợp khi có nhiều hơn một MS
cùng cố gắng để sử dụng khe chung đó. Nếu nó đã định vị trí gởi lƣu lƣợng, thì các
MS không cần phải kiểm sóat vòng. Thay vào đó, nó cho phép thực hiện yêu cầu
băng thông theo ba cách
(1) Truyền một dải thông độc lập yêu cầu MPDU.
(2) Gởi một băng thông yêu cầu sử dụng dải kênh (the randing channel).
(3) Mang một băng thông yêu cầu trên những header MAC chung.
1.4.3.3 Chất lƣợng dịch vụ QoS:
Hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ QoS rất cần thiết đối với hệ thống băng rộng không
dây với các kênh đƣợc thiết kế đồng thời cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và
video. Các thuật toán QoS là rất cần thiết để đảm bảo việc sử dụng chung kênh
không dẫn tới việc làm giảm chất lƣợng dịch vụ hoặc các lỗi dịch vụ. Mặc dù trong

thực tế các thuê bao đang dùng chung một đƣờng truyền kết nối băng rộng với


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 15

nhiều thuê bao khác nhau nhƣng họ mong đợi nhà cung cấp dịch vụ cung cấp các
tính năng ở một mức độ chấp nhận đƣợc trong mọi điều kiện.
Để hỗ trợ một sự đa dạng trong việc ứng dụng, WiMAX đã định nghĩa năm
chƣơng trình dịch vụ đƣợc hỗ trợ bởi các BS để đƣa ra các phƣơng án vận chuyển
dữ liệu thông qua việc nối kết:
(1) Chấp nhận cấp các dịch vụ (UGS-Unsolicited grant services): Nó đƣợc
thiết kế để hỗ trợ các gói dữ liệu có kích thƣớc cố định tại một tốc độ truyền bit
không đổi (CBR-constant bit rate).
(2) Dịch vụ kiểm sóat vòng thời gian thực (rtPS-real time polling services):
Dịch vụ này đƣợc thiết kế để hỗ trợ luồng dịch vụ thời gian thực, nhƣ là MPEG
video, mà phát các gói dữ liệu có kích thƣớc thay đổi theo một chu kỳ nhất định. Sự
bắt buộc của các tham số luồng dữ liệu đƣợc định nghĩa là tốc độ reserved traffic là
cực tiểu, tốc độ sustained traffic là cực đại.
(3) Dịch vụ kiểm sóat vòng không thời gian thực (nrtPS-non real time polling
services): Dịch vụ này đƣợc thiết kế để hỗ trợ do trễ sai số của luồng dữ liệu, nhƣ là
FTP, qui định gói dữ liệu có kích cỡ thay đổi cho phép tốc độ đƣợc đảm bảo ở một
tốc độ tối thiểu.
(4) Dịch vụ Best-Effort (BE): Dịch vụ này đƣợc thiết kế để hỗ trợ những
dòng dữ liệu, nhƣ các trình duyệt Wed, không yêu cầu đảm bảo về mức dịch vụ tối
thiểu.
(5) Dịch vụ tốc độ thời gian thực mở rộng (ERT-VR Extended real-time
variable rate service): Dịch vụ này đƣợc thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng thời gian
thực, nhƣ VoIP với sự nén khi yên lặng, có tốc độ dữ liệu có thể thay đổi nhƣng yêu
cầu về độ trễ và tốc độ dữ liệu phải đƣợc đảm bảo. Dịch vụ này chỉ đƣợc định nghĩa

trong chuẩn IEEE 802.16e-2005 mà không có trong IEEE 802.16-2004. Nó cũng
đƣợc quy vào nhƣ là dịch vụ kiểm tra tuần tự thời gian thực mở rộng ErtPS.
Chuẩn WiMAX di động cung cấp gói công cụ cần thiết để hỗ trợ QoS cho đa
ứng dụng. Trạm gốc WiMAX đinh vị các đƣờng uplink và downlink thông qua việc
sử dụng một quy trình quản lý lƣu lƣợng. Quy trình này phản ánh các nhu cầu về


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 16

lƣu lƣợng và các thông tin về các thuê bao cá nhân. Sau đó các thuật toán tổng hợp
đƣợc triển khai nhằm đảm bảo đáp ứng các tham số QoS ứng dụng cụ thể. Bảng sau
tóm tắt các loại QoS, các ứng dụng và các tham số QoS trong chuẩn 802.16e-2005:

1.4.3.4 Hỗ trợ di động:
Ngoài việc truy cập dải rộng cố định, WiMAX hỗ trợ thêm bốn cách dùng đặc
trƣng cho tính di động của mình:
 Thông dụng: Ngƣời sử dụng đƣợc cho phép truy cập đến một trạm các thuê
bao cố định và nối lại từ một điểm truy cập khác gần đó.
 Linh động: Sự truy cập Nomadic đƣợc cung cấp đến một thiết bị di động,
nhƣ một PC card, dựa vào ứng dụng best-effort.
 Di chuyển một cách đơn giản: Các thuê bao có thể di chuyển với tốc độ
60km/h với các sự gián đoạn trong khoảng thời gian nhỏ (dƣới 1s) trong suốt
quá trình truy cập.
 Di chuyển cách phức tạp: Có thể di động với tốc độ lên đên 120km/h có thể
đƣợc hỗ trợ với khả năng mất gói dữ liệu khoảng 1% trong khoảng thời gian
nhỏ(50ms).
Thời gian sống của pin (battery life) và thời gian chuyển giao (handoff) là hai
vấn đề tranh luận trong các ứng dụng di động. WiMAX di động hỗ trợ chế độ ngủ

Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Đồ án tốt nghiệp Trang 17

(Sleep Mode) và chế độ rỗi (Idle Mode) cho phép vận hành MS hiệu quả. WiMAX
di động cũng hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho phép MS có thể chuyển từ
một BS này sang một BS khác với tốc độ di chuyển nhất định mà không bị gián
đoạn kết nối.
1.4.3.5 Quản lý nguồn năng lƣợng:
WiMAX di động hỗ trợ hai chế độ vận hành hiệu năng – Sleep Mode và Idle
Mode:
 Sleep Mode là trạng thái mà MS ở trong giai đoạn trƣớc khi có bất cứ trao
đổi thông tin gì với trạm gốc qua giao diện vô tuyến. Nhìn từ phía trạm gốc, những
giai đoạn này có đặc điểm là không khả dụng với MS cho cả hƣớng xuống (DL) hay
hƣớng lên (UL). Chế độ Sleep Mode cho phép MS tối thiểu năng lƣợng tiêu thụ và
tối thiểu tài nguyên vô tuyến của trạm gốc. Chế độ Sleep Mode cũng cung cấp khả
năng linh hoạt cho MS để dò các trạm gốc khác để thu thập thông tin hỗ trợ chuyển
giao (handoff) trong chế độ Sleep Mode.
 Idle Mode cung cấp một cơ chế cho MS để sẵn sàng một cách định kỳ nhận
các bản tin quảng bá hƣớng xuống (DL) mà không cần đăng ký với một trạm gốc
xác định nào khi MS di chuyển trong một môi trƣờng có đƣờng truyền vô tuyến
đƣợc phủ sóng bởi nhiều trạm gốc. Chế độ Idle Mode làm lợi cho MS bằng cách
loại bỏ yêu cầu chuyển giao (handoff) và các hoạt động bình thƣờng khác và làm lợi
cho mạng và trạm gộc bằng cách loại bỏ giao diện vô tuyến và lƣu lƣợng chuyển
giao (handoff) của mạng từ các MS không hoạt động trong khi vẫn cung cấp một
phƣơng pháp đơn giản để báo cho MS về lƣu lƣợng DL đang xử lý.
1.5 Kết luận chƣơng:
Trong chƣơng này chúng ta đã có những kiến thức cơ bản về một hệ thống
mạng WiMAX cũng nhƣ hiểu rõ về cấu trúc của nó. Đặc biệt, các kỹ thuật ứng
dụng trong lớp MAC sẽ tạo tiền đề cho việc nghiên cứu về quá trình bảo mật trong

các chƣơng tiếp theo.