Nghiên cứu cơ chế lập lịch hiệu quả trong công nghệ mạng WIMAX luận văn ths công nghệ thông tin pdf

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI THỊ CẨM DƯƠNG

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ LẬP LỊCH HIỆU QUẢ TRONG
CÔNG NGHỆ MẠNG WIMAX

Ngành: Công nghệ Thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S Dương Lê Minh

Hà Nội - 2015


2

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến người thầy TS. Dương Lê Minh,
thầy đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn
thành tốt luận văn tốt nghiệp này. Thầy đã dẫn dắt cho tôi tới những vấn đề khoa học,
định hướng nghiên cứu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi tốt nhất cho tôi học tập và
nghiên cứu.
Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trường Đại học Công
nghệ đã tham gia giảng dạy và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu cho tất cả các học

viên nói chung và cá nhân tôi nói riêng.
Cuối cùng, tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn về sự giúp đỡ của các thầy cô, anh, chị,
em đồng nghiệp trong khoa Công nghệ Thông tin - trường Đại học Thủ đô Hà Nội, cơ
quan nơi tôi công tác đã tạo điệu kiện tốt nhất cho tôi về thời gian cũng như động viên
tôi hoàn thành bài luận văn.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng 09 năm 2015

Học viên

Bùi Thị Cẩm Dương


3

LỜI CAM ĐOAN
Những kiến thức trình bày trong luận văn là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và trình
bày lại theo cách hiểu. Trong quá trình làm luận văn, tôi có tham khảo các tài liệu có
liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đó. Tôi xin cam đoan đây là công trình
nghiên cứu của tôi và không sao chép của bất kỳ ai với sự hỗ trợ của giảng viên hướng
dẫn. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất cứ công trình nào.

Hà Nội, ngày

tháng 09 năm 2015

Học viên

Bùi Thị Cẩm Dương


4

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 3
MỤC LỤC ................................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... 10
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 11
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ WIMAX.................................................................. 12
1.1

GIỚI THIỆU WIMAX ................................................................................. 12

1.1.1

Lịch sử phát triển ................................................................................... 12

1.1.2

Kiến trúc WiMAX ................................................................................. 14

1.2

CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX ................................................. 15

1.3

ỨNG DỤNG CỦA WIMAX ........................................................................ 16

1.4

LỚP MAC TRONG WIMAX ....................................................................... 16

1.4.1

Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ ........................................................ 18

1.4.2

Lớp con phần chung MAC (CPS)........................................................... 20

1.4.3

Lớp con bảo mật .................................................................................... 22

1.5

CƠ CHẾ YÊU CẦU THIẾT LẬP KẾT NỐI ................................................ 23

1.5.1

Đường xuống DL ................................................................................... 25

1.5.2

Đường lên UL ........................................................................................ 25

1.6

TDD FRAME ............................................................................................... 27

1.6.1

TDD Downlink-subframe ...................................................................... 28

1.6.2

TDD Uplink-subframe ........................................................................... 31

1.7

KIẾN TRÚC QoS VÀ QoS SCHEDULING................................................. 33

1.7.1

Kiến trúc QoS ........................................................................................ 33

1.7.2

QoS Scheduling ..................................................................................... 34

CHƯƠNG 2.KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WIMAX ................... 37
2.1

CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ........................................................................... 38

2.1.1

Yêu cầu về QoS ..................................................................................... 39

2.1.2

Yêu cầu về lập lịch QoS tại từng tầng .................................................... 39

2.1.3

Các cơ chế yêu cầu – đáp ứng ................................................................ 40

2.1.4

Các yêu cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS .................................................. 41

2.2

MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH........................................................... 42

2.2.1

First Come First Serve ........................................................................... 42

2.2.2

Early Deadline First ............................................................................... 43

2.2.3

Strict Priority ......................................................................................... 43


5

2.2.4

Fair Queuing .......................................................................................... 44

2.2.5

Round Robin .......................................................................................... 45

2.2.6

Weighted Round Robin .......................................................................... 46

2.2.7

Weighted Fair Queuing .......................................................................... 49

2.2.8

Deficit Weighted Round Robin .............................................................. 52

2.2.9

Cross-Layer ........................................................................................... 54

2.3

SO SÁNH CÁC THUẬT TOÁN .................................................................. 54

CHƯƠNG 3.THUẬT TOÁN LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS ........................................... 56
3.1

CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM TRÊN MÔ PHỎNG ..................................... 56

3.1.1

Môi trường mô phỏng ............................................................................ 56

3.1.2

Kịch bản mô phỏng ................................................................................ 58

3.2

THUẬT TOÁN “LẬP LỊCH HỖN HỢP”..................................................... 62

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 69


6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Từ viết tắt

Nghĩa

3G

Third Generation

AAA

Authentication, Authorization, and Sự xác thực, sự cấp phép và sự tính
Accounting
toán
Bandwidth

Thế hệ thứ 3

ABAS

Adaptive
Scheme

Allocation Cơ chế cấp phát băng thông thích
ứng

AC

Admission Control

Điều khiển chấp nhận

ACK

Acknowledgment

Xác nhận

AES

Advanced Encryption Standard

Chuẩn mật mã cải tiến

AK

Authentication Key

Khoá xác thực

ARQ

Automatic Repeat Request

Yêu cầu truyền lại tự động

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền không đồng bộ

BE

Best Effort

Dịch vụ nỗ lực tốt nhất

BER

Bit Error Rate

Tốc độ lỗi bit

BS

Base Station

Trạm gốc

BWR

Bandwidth Request

Yêu cầu băng thông

CAC

Call Admission Control

Điều khiển chấp nhận cuộc gọi

CBR

Constant Bit Rate

Tốc độ bit cố định

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CID

Connection Identifier

Nhận dạng kết nối

CPS

Common Part Sublayer

Lớp con phần chung

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra mã vòng dư

CS

Convergence Sublayer

Lớp con hội tụ


7

DC

Deficit Counter

Bộ đếm dư thừa

DCD

Downlink Channel Descriptor

Mô tả kênh đường xuống

DES

Data Encryption Standard

Chuẩn mã hoá dữ liệu

DL

Downlink

Đường xuống

DRR

Deficit Round Robin

Thuật toán lập lịch DRR

EAP

Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực mở rộng

EDF

Earliest Deadline First

ertPS

Extended
Service

FCH

Frame Control Header

Tiêu đề điều khiển khung

FDD

Frequency Division Duplexing

Song công phân chia theo tần số

FDMA

Frequency
Access

FEC

Forward Error Correction

Hiệu chỉnh lỗi trước

FER

Frame Error Rate

Tốc độ lỗi khung

FIFO

First In First Out

Vào trước ra trước

FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền tập tin

GPSS

Grant Per Subscriber Station

Cấp phát theo từng trạm thuê bao

HARQ

Hybrid-ARQ

ARQ kết hợp

HTTP

Hypertext Transfer Protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thẳng

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng khu vực đô thị

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Thuật toán lập lịch EDF

Real-Time

Division

Polling Dịch vụ thăm dò thời gian thực mở

rộng

Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số


8

MN

Mobile Node

Nút di động

MPDU

MAC Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức lớp MAC

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSDU

MAC Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ lớp MAC

NAP

Network Access Provider

Nhà cung cấp truy nhập mạng

NAS

Network Access Server

Máy chủ truy nhập mạng

NAT

Network Address Translation

Thông dịch địa chỉ mạng

NLOS

Non Line Of Sight

Tầm nhìn không thẳng

nrtPS

Non Real-Time Polling Service

Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực

OFDM

Orthogonal Frequency
Multiplexing

Division

Đa phân chia theo tần số trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency
Multiple Access

Division Đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao

PDU

Packet Data Unit

Đơn vị dữ liệu gói

PER

Packet Error Rate

Tốc độ lỗi gói

PHS

Packet Header Suppression

Rút ngắn tiêu đề gói

PHSF

PHS Field

Vùng PHS

PHSI

PHS Index

Chỉ mục PHS

PHSM

PHS Mask

Mặt nạ PHS

PKM

Privacy Key Management

Quản lý khoá bảo mật

PSH

Packing Subheader

Tiêu đề con đóng gói

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RR

Round Robin

Thuật toán lập lịch RR

RSS

Received Signal Strength

Cường độ tín hiệu thu được

RSSI

Received Signal Strength Indicator Bộ chỉ thị cường độ tín hiệu thu
được

9

rtPS

Real-Time Polling Service

Dịch vụ thăm dò thời gian thực

SDU

Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SFA

Service Flow Authorization

Cấp phép luồng dịch vụ

SFID

Service Flow Identifier

Nhận dạng luồng dịch vụ

SFM

Service Flow Management

Quản lý luồng dịch vụ

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm

SS

Subscriber Station

Trạm thuê bao

TCP

Transport Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền tải

TDD

Time Division Duplexing

Song công phân chia theo thời gian

TDM

Time Division Multiplexing

Đa phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức gam dữ liệu người sử
dụng

UGS

Unsolicited Grant Services

Dịch vụ cấp phát tự nguyện

UL

Uplink

Đường lên

VoIP

Voice Over Internet Protocol

Thoại trên nền IP

WAN

Wide Area Network

Mạng khu vực rộng

WAP

Wireless Access Protocol

Giao thức truy nhập không dây

WDRR

Weighted Deficit Round Robin

Kỹ thuật lập lịch WDRR

WFQ

Weighted Fair Queuing

Kỹ thuật lập lịch WFQ

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Mạng không dây Wifi

WiMAX

Worldwide Interoperability
Microwave Access

WRR

Weighted Round Robin

for Khả năng tương tác toàn cầu với
truy nhập viba
Kỹ thuật lập lịch WRR


10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình mạng WiMAX trong chế độ PMP ................................................ 12
Hình 1.2: Kiến trúc mạng WiMAX ............................................................................ 14
Hình 1.3: Các đặc tính nổi bật của công nghệ WiMAX.............................................. 15
Hình 1.4: Cấu trúc lớp MAC...................................................................................... 17
Hình 1.5: Chức năng của các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16 ........... 17
Hình 1.6: Phân loại và ánh xạ CID hướng từ BS đến SS ............................................ 19
Hình 1.7: Phân loại và ánh xạ CID hướng từ SS đến BS ............................................ 19
Hình 1.8: MAC PDU dữ liệu ..................................................................................... 20
Hình 1.9: Định dạng tiêu đề MAC chung [2] ............................................................. 20

Hình 1.10: Định dạng MAC PDU .............................................................................. 21
Hình 1.11: Định dạng tiêu đề MAC yêu cầu băng thông [2]....................................... 22
Hình 1.12: Quá trình khởi tạo và thiết lập kết nối [3] ................................................. 23
Hình 1.13: Quá trình thực hiện ranging ...................................................................... 24
Hình 1.14: Khời tạo luồng dịch vụ ............................................................................. 25
Hình 1.15: yêu cầu cấp băng thông và hỗ trợ trong lớp dịch vụ BE ............................ 26
Hình 1.16: Cấu trúc khung TDD (tổng quát) .............................................................. 27
Hình 1.17: Cấu trúc khung TDD (chia theo từng phần chức năng) ............................. 28
Hình 1.18: Khung phụ Downlink TDD ...................................................................... 28
Hình 1.19: Các trường trong DL/UL BURST ............................................................ 31
Hình 1.20: DL Subframe [1] ..................................................................................... 32
Hình 1.21: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 ............................................................... 33
Hình 2.1: Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông trong WiMAX hỗ trợ QoS ............ 39
Hình 2.2: Minh họa thuật toán lập lịch FCFS [19] ..................................................... 42
Hình 2.3: Minh họa thuật toán lập lịch Fair Queuing ................................................. 45
Hình 2.4: Minh họa thuật toán lập lịchWRR .............................................................. 47
Hình 2.5: Minh họa thuật toán lập lịchWRR khi các gói tin có chiều dài cố định ....... 48
Hình 2.6: Minh họa thuật toán lập lịchWRR khi các gói tin có chiều dài thay đổi ...... 49
Hình 2.7: Minh họa thuật toán lập lịchWFQ – khi truyền bit-by-bit ........................... 50
Hình 2.8: Minh họa thuật toán lập lịchWFQ – khi truyền theo thời gian kết thúc ....... 50
Hình 2.9: Minh họa thuật toán lập lịchDWRR ........................................................... 52
Hình 3.1: Module WiMAX trong NS-2...................................................................... 57
Hình 3.2: Mô hình mô phỏng ..................................................................................... 58
Hình 3.3: Thông lượng trung bình của gói tin ............................................................ 59
Hình 3.4: Độ trễ trung bình của các gói tin ................................................................ 60
Hình 3.5: Thông lượng trung bình của các gói tin khi kích thước thay đổi ................. 61
Hình 3.6: Độ trễ trung bình của các gói tin khi kích thước gói tin thay đổi................. 61
Hình 3.7: Quá trình xử lý gói tin theo thuật toán EDF trong các queue UGS, rtPS,
nrtPS, ertPS ............................................................................................................... 65
Hình 3.8: Quá trình xử lý gói tin theo thuật toán WRR trong queue BE ..................... 66

11

MỞ ĐẦU
1.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, mạng truy cập không dây băng thông rộng BWA (Broadband Wireless
Access) đang là lĩnh vực được tập trung nghiên cứu và phát triển. Trong đó, Wi-Fi và
3G là những công nghệ đang phát triển với tốc độ dữ liệu tăng nhanh. Tuy nhiên, WiFi và 3G có hạn chế chỉ sử dụng được trong phạm vi nhỏ và với tốc độ không cao.
Công nghệ mạng WiMAX ra đời, là giải pháp kinh tế khi triển khai internet cho những
vùng xa, địa hình khó khăn ở đó số người dùng không đủ nhiều để đầu tư triển khai
mạng cáp quang cho mạng đường trục 3G.
Yêu cầu đối với mạng truy cập không dây băng thông rộng là hỗ trợ chất lượng
dịch vụ đồng thời cho nhiều dịch vụvới những đòi hỏi về QoS khác nhau. WiMAX
với sự hỗ trợ đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) hoàn toàn đáp ứng những dịch vụ chất
lượng gồm có thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến cùng với các ứng dụng
như hội nghị video và giám sát video, mạng riêng bảo mật (yêu cầu an ninh cao).Chất
lượng dịch vụ là tiêu chí quan trọng để đo lường hiệu năng của một mạng, được cung
cấp thông qua việc phân lớp và lập lịch cho 5 lớp dịch vụ với các mức độ QoS riêng.
Do đó, lập lịch lưu lượng hiệu quả là rất quan trọng trong mạng WiMAX.
Luận văn này tập trung tìm hiểu những cách thức, thuật toán để giải quyết bài
toán lập lịch nêu ở trên mà trong chuẩn IEEE.802.16 còn có phần để ngỏ cho các nhà
phát triển dịch vụ lựa chọn.
2.

CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn gồm các phần chính sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ WiMAX

Chương 1 giới thiệu nền tảng của tiêu chuẩn IEEE 802.16 và WiMAX, trình bày
kiến trúc WiMAX, các đặc tính nổi bật của WiMAX, và đặc biệt là lớp MAC trong
WiMAX, cấu trúc MAC trong TDD Frame, và các yêu cầu chất lượng dịch vụ.
Chương 2: KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WiMAX
Chương 2 tập trung tìm hiểu yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS), các cơ chế yêu
cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS và phân tích một số thuật toán lập lịch
Chương 3: THUẬT TOÁN LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS
Chương 3 thực hiện mô phỏng thuật toán lập lịch trong dịch vụ BE và UGS, giới
thiệu thuật toán lập lịch đề xuất nhằm mục đích cải thiện chất lượng dịch vụ mạng.


12

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ WIMAX
WiMAX, viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access – hay
IEEE 802.16 – wireless microwave access – truy cập vô tuyến sóng cực ngắn, là công
nghệ không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.16 cung cấp kết nối Internet băng thông
rộng chocả mạng cố định và di động ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ
kiểu kết nối điểm – đa điểm (PMP – point to multipoint) cho tới kết nối dạng lưới
(mesh) Công nghệ mạng WiMAX phát triển qua bốn giai đoạn, dù không phân chia rõ
ràng hoặc tuần tự: (1) hệ thống lặp cục bộ không dây, (2) hệ thống băng thông rộng
truyền thẳng LOS – Line of Sight, (3) hệ thống băng thông rộng không truyền thẳng
NLOS – non Line of Sight, (4) hệ thống không dây băng thông rộng dựa trên các
chuẩn. [03]
Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn được gọi là WirelessMAN. Truyền
thông trong WiMAX là hướng kết nối. Tất cả dịch vụ từ lớp vật lý lên WiMAX MAC,
bao gồm những dịch vụ kết nối, là những mô hình kết nối giữa SS (Subscriber Station)
và BS (Base Station) trong lớp MAC. Một SS có thể có nhiều kết nối đến BS với mục

đích cung cấp nhiều dịch vụ đến người sử dụng. Kết nối được xác định bằng 16-bit
(CIDs), tạo điều kiện thuận lợi dải thông cho kết nối và sự hỗ trợ QoS trong môi
trường kết nối không dây tự động.

Hình 1.1: Mô hình mạng WiMAX trong chế độ PMP
1.1

GIỚI THIỆU WIMAX

1.1.1 Lịch sử phát triển
IEEE 802.16 – 2001: Chuẩn WiMAX đầu tiên được thông qua vào tháng
10/2001, xác định mạng truyền không dây băng thông rộng từ điểm tới đa điểm với
mục đích cho phép triển khai nhanh chóng và rộng rãi các hệ thống vô tuyến băng
thông rộng với chi phí hiệu quả thay thế truy nhập băng thông rộng có dây, đảm bảo


13

khả năng tương thích giữa các thiết bị khác nhau, dải tần hoạt động từ 10 GHz đến 66
GHz, khoảng cách 2-7km. Nhược điểm là chỉ dùng trên đường truyền thẳng LOS
(Light Of Sight).
IEEE 802.16a: bổ sung thêm dải tần số 2-11 GHz, giúp việc truyền sóng trong
môi trường có vật cản và bị che khuất dễ dàng hơn, bổ sung các kỹ thuật cho lớp vật lý
giúp tối ưu kênh truyền theo băng tần ứng dụng.
IEEE 802.16b: hoạt động trên dải tần số 5-6 GHz, cung cấp các dịch vụ với chất
lượng cao, như ứng dụng truyền video, audio, real-time.
IEEE 802.16d hay IEEE 802.16-2004: mở rộng các đặc điểm kĩ thuật của
WiMAX ở dải tầng số 2–11 GHz, mô tả hệ thống WiMAX và sự phù hợp tiêu chuẩn
đến môi trường mạng không dây tự động, thích ứng kiểu mạng lưới mà trong đó một
thiết bị cuối có thể liên lạc với BS thông qua thiết bị cuối khác, giúp mở rộng vùng

phủ sóng của BS. Chuẩn này hỗ trợ cả hai phương thức truyền song công phân chia
theo tần số (FDD - Frequency Division Duplexing) và truyền song công phân chia theo
thời gian (TDD - Time Division Duplexing). Điểm nổi bật của phiên bản này là sự
ghép nối của các đơn vị giao thức dữ liệu (PDU – Protocol Data Unit) với các đơn vị
dịch vụ dữ liệu (SDU – Service Data Unit).
IEEE 802.16e – 2005: được hoàn thiện năm 2005, dựa trên nền tảng WiMAX
cho các ứng dụng di động, thường được biết đến với tên gọi “Mobile WiMAX”. Phiên
bản này đưa ra phương pháp điều chế, đa truy nhập sử dụng công nghệ OFDMA cho
phép các tín hiệu có thể chia thành nhiều kênh con khác nhau (subchannelization)
nhằm giảm thiểu nhiễu đa đường.
Đa lựa chọn cho mô hình MAC, song công (kép, duplexing), băng tần hoạt động,
… Nhiều chuẩn được phát triển phù hợp đa dạng ứng dụng và các kịch bản phát triển,
và cung cấp một loạt các lựa chọn thiết kế cho các nhà phát triển hệ thống. Có thể nói
rằng, IEEE 802.16 là một tập hợp của các chuẩn.


14

1.1.2 Kiến trúc WiMAX

Hình 1.2: Kiến trúc mạng WiMAX
Kiến trúc mạng WiMAX về cơ bản gồm hai phần:
1.1.2.1Trạm gốc
Trạm gốc(BS – Base Station) được kết nối với mạng Internet thông qua các
đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể nối tới BS khác như một trạm trung
chuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line Of Sight). Do đó, WiMAX có vùng phủ
sóng rộng lớn.
Trạm BS có các chức năng như:
- Tiếp nhận các kết nối và giao tiếp với các thiết bị đầu cuối.
- Cho phép số lượng lớn lên tới vài ngàn phiên kết nối đồng thời.

- Khả năng tương thích cao với nhiều thiết bị đầu cuối.
- Khoảng cách kết nối lên đến 50km với tốc độ băng thông tối đa 70Mbps.
1.1.2.2Trạm thuê bao(SS –Subscriber Station)
Trạm thuê bao (SS –Subscriber Station) là các angten nhỏ kết nối với thiết bị thu
đặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX hoặc các
card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di động.
Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ việc truyền dữ liệu đến
các SS. Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông trực tiếp giữa hai
thiết bị đầu cuối của trạm thuê bao SS với nhau. Kết nối giữa BS và các SS sẽ gồm
một kênh uplink và 1 kênh downlink. Kênh uplink sẽ chia sẻ băng thông cho
nhiều SS trong khi kênh downlink có đặc điểm cung cấp thông tin quảng bá
(broadcast). Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và BS, thông tin sẽ được trao


15

đổi trên băng tầng cao. Ngược lại, thông tin sẽ được truyền trên băng tầng thấp để
chống nhiễu.
1.2

CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX

Hình 1.3: Các đặc tính nổi bật của công nghệ WiMAX
- Khả năng mở rộng băng thông và hỗ trợ tốc độ dữ liệu: tốc độ lớp vật lý có thể
đạt 74 Mbps trong khi hệ điều hành sử dụng phổ rộng 20MHz, 25Mbps cho
download, 6.7Mbps cho upload. Linh hoạt phân bố tài nguyên sử dụng trên cả
đường truyền uplink và đường downlink.
- Hỗ trợ chất lượng dịch vụ: lớp MAC trong WiMAX là kỹ thuật hướng kết nối,
được thiết kế để hỗ trợ đa ứng dụng bao gồm giọng nói, video, các dịch vụ đa
truyền thông. MAC WiMAX được thiết kế hỗ trợ đa người dùng với nhiều kết

nối trên thiết bị, với mỗi yêu cầu QoS khác nhau.
- Bảo mật mạnh mẽ: bằng cách mã hóa đường truyền giữa BS và SS, sử dụng
chuẩn mã hóa nâng cao (Advanced Encryption Standard – AES), giao thức
quản lý key và tính riêng tư với kỹ thuật xác thực dựa trên Giao thức xác thực
mở rộng (Extensible Authentication Protocol – EAP), với định danh,
username/password, xác nhận số, smart cards. WiMAX cũng hỗ trợ VLAN
(Virtual LAN – mạng LAN ảo), cung cấp khả năng bảo vệ dữ liệu khi đang
được truyền giữa những người sử dụng khác nhau trên cùng BS.
- Hỗ trợ cho di động: hỗ trợ sự liền mạch an toàn cho các ứng dụng di động chịu
chậm trễ, như VoIP. Khi SS đăng ký thành công trong cơ sở dữ liệu hệ thống
của BS, SS sẽ được cấp kết nối, nó sẽ tự nhận dạng và xác định các đặc tính
của đường kết nối với BS.


16

- Kỹ thuật dựa trên IP: WiMAX dựa trên nền tảng IP, tất cả các thiết bị đầu cuối
được cung cấp trên kỹ thuật IP trên giao thức dựa trên IP để vận chuyển end to
end, QoS, quản lý phiên, bảo mật và di động.
- Hỗ trợ TDD và FDD: chuẩn IEEE 802.16-2004 và chuẩn IEEE 802.16-2005
hỗ trợ cả phân chia duplexing theo thời gian và theo tần suất. Tất cả các cấu
hình ban đầu dựa trên TDD do linh hoạt khi chọn tỷ lệ tốc độ dữ liệu up/down,
khả năng khai thác kênh hai chiều thuận tiện, và thiết kế thu phát ít phức tạp.
- Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ: WiMAX hỗ trợ hai chế độ vận hành: Sleep
Mode (giai đoạn trước khi trao đổi thông tin với trạm gốc, cho phép máy trạm
tối thiểu năng lượng tiêu thụ và tối thiểu tài nguyên trạm BS) và Idle Mode
(cung cấp cơ chế cho máy trạm để sẵn sàng một cách định kỳ nhận bản tin
quảng bá mà không cần đăng ký với trạm BS xác định nào khi máy trạm di
chuyển trong môi trường được phủ sóng bởi nhiều trạm BS).
1.3

ỨNG DỤNG CỦA WIMAX
- Truy cập Internet tốc độ cao: với các đặc tính kỹ thuật WiMAX hoàn toàn có
thể thay thế mạng truyền dữ liệu có dây ADSL. Đặc biệt, WiMAX rất hữu ích
để cung cấp dịch vụ băng thông rộng ở những vùng xa xôi khó khăn để triển
khai mạng có dây, hoặc với người dùng di động.
- Dịch vụ VoIP: với sự phát triển của mạng không dây băng thông rộng, người
dùng có thể thực hiện các cuộc gọi thông qua địa chỉ IP chỉ cần có thiết bị di
động cầm tay hỗ trợ kết nối bằng WiMAX.
- Trao đổi dữ liệu – chia sẻ tài nguyên: mạng diện rộng WAN để chia sẻ thông
tin, tài nguyên của một doanh nghiệp là rất cần thiết. Đối với các doanh
nghiệp lớn, có các chi nhánh ở các địa bàn khác nhau thì việc sẵn sàng về cáp
hữu tuyến là khó khăn trong khi đó với tính ưu việt, triển khai nhanh và đơn
giản của mình thì WIMAX có thể hoàn toàn đáp ứng được điều này.
- Video Streaming: hiện nay, truyền hình trực tuyến trên các thiết bị cầm tay,
hoặc trên máy tính là rất phát triển, tuy nhiên với các công nghệ truy nhập hiện
tại thì người sử dụng có khá nhiều khó khăn để xem tốt được vì sự hạn chế của
công nghệ đường truyền, vì chất lượng dịch vụ… WIMAX với khả năng cung
cấp đường truyền tốc độ cao với chất lượng tốt sẽ trở thành sự lựa chọn hợp lý.

1.4

LỚP MAC TRONG WIMAX

Nhiệm vụ chính của lớp MAC trong WiMAX là cung cấp giao diện giữa lớp vận
chuyển và lớp vật lý. Lớp MAC lấy gói dữ liệu từ lớp trên (các gói dữ liệu được gọi là
các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC – MSDUs) và sắp xếp chúng vào các đơn vị dữ liệu


17

giao thức MAC để truyền. Tại đầu nhận, lớp MAC làm ngược lại các bước để đọc
được gói dữ liệu. [03] IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005 thiết kế lớp MAC bao
gồm lớp con hội tụ có thể giao tiếp với giao thức ở lớp cao hơn, như ATM, thoại
TDM, Ethernet, IP và giao thức khác trong tương lai. Hiện nay, WiMAX ưu tiên hỗ
trợ IP và Ethernet. Bên cạnh việc cung cấp bản đồ đến và đi từ các lớp cao hơn, lớp
con hội tụ hỗ trợ tiêu đề các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC để giảm chi phí quản lý lớp
cao trên mỗi gói.
Lớp MAC bao gồm ba lớp con: Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (Service
Specific Convergence Sublayer), lớp con phần chung MAC (MAC Common Part
Sublayer) và lớp con bảo mật (Privacy Sublayer)[03].

Hình 1.4: Cấu trúc lớp MAC

Hình 1.5: Chức năng của các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16


18

1.4.1 Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ
Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer) là
giao diện giữa lớp con phần chung MAC và lớp vận chuyển, tiếp nhận những PDU từ
lớp cao hơn, phân loại và map các MSDU vào các CID tương ứng để phục vụ cho QoS
và truyền chúng xuống lớp MAC CPS. Các MSDU được truyền đến lớp MAC CPS
thông qua các điểm truy nhập dịch vụ MAC (MAC SAP). [04]
Lớp con CS có nhiệm vụ thực hiện những chức năng sau:
- Nhận và thực hiện phân loại các đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) từ lớp cao
hơn.
- Xử lý các PDU lớp giao thức cao hơn như nén header, ánh xạ địa chỉ.
- Truyền các CS PDU đến các MAC SAP thích hợp.

- Nhận PDU của CS từ các thực thể cùng cấp.
Phân loại và CID mapping
Lớp CS xử lý ánh xạ từ các luồng khác nhau của lớp vận chuyển đến một hoặc
nhiều kết nối đã được định dạng tại lớp MAC. Lớp MAC của WiMAX là hướng kết
nối nên mỗi dịch vụ, bao gồm cả các dịch vụ không liên kết được ánh xạ tới ít nhất
một kết nối. Mỗi kết nối được định danh bằng một số định danh 16 bit (CID –
Connection Identifier). Lớp CS phân loại các đơn vị dữ liệu (SDU) cho mỗi kết nối có
các yêu cầu QoS thích hợp.
Phân loại là quá trình các gói tin đến được gán cho các kết nối (connection)
WiMAX theo yêu cầu QoS cụ thể. Mỗi kết nối được liên kết với một luồng dịch vụ bởi
các thông số QoS như đảm bảo độ trễ, jitter và thông lượng. Phân loại bao gồm một
tập hợp các giao thức chuẩn cụ thể phù hợp với mỗi gói tin (như địa chỉ IP đích, cổng
giao thức vận chuyển, …). Một bộ phân loại bao gồm một số tiêu chí phù hợp với các
gói giao thức cụ thể, mức ưu tiên và tham chiếu tới CID (như trong bảng 1). Nếu phù
hợp, gói tin được chuyển tới SAP để giao cho các kết nối đã được xác định thông qua
CID.Phân loại downlink được áp dụng bởi BS để truyền tải các gói tin, phân loại
uplink được áp dụng tại các SS.[1]
Mức ưu tiên
của luồng
dịch vụ
1 byte

Các thông số để phân loại
802.3

802.1P/Q

IPv4/v6

TCP/UDP

CID và
SFID

TLV1

TLV2

TLV3

TLV4

2/ 4 bytes

Bảng 1: Cấu trúc bộ phân loại
TLV thêm vào mỗi giá trị (value) truyền trong đó cókiểu (type) và độ dài (length)
của tham số mã hóa. Các thông số mã hóa bao gồm:
 TLV1 (Ethernet): các địa chỉ nguồn và đích, Ethertype/SAP


19

 TLV2 (802.1Q): phạm vi ưu tiên, VLAN ID
 TLV3 (IP): ToS Range/Mask, Protocol, Source address/mask, Destination
address/mask
 TLV4 (TCP/UDP): port bắt đầu của nguồn TCP/UDP (TCP/UDP source
port start), port kết thúc của nguồn TCP/UDP (TCP/UDP source port end),
port bắt đầu của đích TCP/UDP (TCP/UDP destination port start), port kết
thúc của đích TCP/UDP (TCP/UDP destination port end). [4]
Quá trình phân loại là một tiến trình quan trọng vì mỗi BS cùng lúc có thể đáp

ứng được tương đối nhiều SS với các ứng dụng khác nhau. Quá trình phân loại sẽ cấp
phát những tài nguyên cần thiết cho mỗi ứng dụng.

Hình 1.6: Phân loại và ánh xạ CID hướng từ BS đến SS

Hình 1.7: Phân loại và ánh xạ CID hướng từ SS đến BS


20

1.4.2 Lớp con phần chung MAC (CPS)
Lớp con phần chung MAC (MAC Common Part Sublayer) có nhiệm vụ chính là
để phân loại các SDU tới kết nối MAC phù hợp (như truy nhập, phân bổ băng thông,
thiết lập, quản lý kết nối, phân mảnh và ghép nối các SDU và MAC PDU), yêu cầu
QoS (lập lịch). Nó sẽ nhận dữ liệu từ các Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ khác
nhau để phân lớp vào một kết nối MAC riêng. Ngoài dữ liệu từ lớp con hội tụ, lớp
MAC bổ sung thêm kết nối cho các mục đích khác: một kết nối dựa trên việc truy cập
ban đầu, một cho truyền phát sóng trong DL cũng như cho các tín hiệu phát sóng dựa
trên yêu cầu băng thông SS, một hoặc nhiều multicast dựa trên việc SS được dùng để
tham gia yêu cầu SS. Cả CS và CPS MAC đều sử dụng Sự loại bỏ tiêu đề tải trọng, sự
đóng gói, sự phân mảnh để truyền với băng thông lớn hơn cơ chế truyền ban đầu.
Định dạng và phân loại MAC PDU
Mỗi MAC PDU chứa một tiêu đề kèm theo một payload và bộ kiểm tra mã vòng
dư CRC (Cyclic Redundancy Check). WiMAX có 02 loại PDU, mỗi loại có cấu trúc
tiêu đề khác nhau. [2]
- MAC PDU dữ liệu
 Tiêu đề MAC chung HT = 0.
 Tải trọng là các MAC SDU, hay các phân đoạn dữ liệu từ lớp phía trên
(PDU của CS), được phát trên các kết nối truyền tải.

Hình 1.8: MAC PDU dữ liệu

Hình 1.9: Định dạng tiêu đề MAC chung [2]
Bảng 1: Ý nghĩa các trường tin trong tiêu đề MAC chung [2]
Tên trường

Chiều dài (bit)

Ý nghĩa
Loại tiêu đề

HT

1
Mặc định HT= 0


21

Ecryption Control:Bit điều khiển mã hoá
EC

1

EC=0: Tải trọng không được mã hoá
EC=1: Tải được mã hoá

Type

6

Trường này chỉ thị các tiêu đề con và các loại tải
đặc biệt trong bản tin

RSV

2

Trường dự trữ
CRC Indicator: Trường chỉ thị CRC (Cyclic
Redundancy Check – kiểm tra lỗi dư vòng)

CI

1

CI=0: CRC sẽ không được thêm vào
CI=1: CRC được thêm vào sau tải trọng sau
khi mã hoá tải trọng
Encryption Key Sequence

EKS

Chỉ mục của khóa mã hóa lưu lượng và vector
khởi tạo được sử dụng để mã hóa tải trọng

2

Chỉ có ý nghĩa khi EC = 1
LEN

11

Chiều dài MAC PDU được tính theo byte, bao
gồm cả tiêu đề và CRC (nếu có)

CID

16

Connection identifier: nhận dạng của một kết nối

HCS

8

Header Checksum Sequence
Được dùng để kiểm tra lỗi cho tiêu đề

Hình 1.10: Định dạng MAC PDU
Các PDU từ lớp CS được chuyển đến SAP của MAC. CPS của MAC sẽ thêm
tiêu đề MAC (WiMAX) chung và tùy chọn CRC để SDU MAC trở thành PDU MAC.
Lưu lượng TCP sẽ đến nơi nhận với gói tin IP mà được đóng gói trong khung
Ethernet.
- MAC PDU quản lý
 Tiêu đề MAC chung với HT = 0.
 Tải trọng là các bản tin quản lý MAC, được phát trên các kết nối quản lí.


22

- MAC PDU yêu cầu băng thông
 Tiêu đề yêu cầu băng thông với HT =1.
 Không có tải trọng.

Hình 1.11: Định dạng tiêu đề MAC yêu cầu băng thông [2]
Bảng 2: Ý nghĩa các trường tin trong tiêu đề MAC yêu cầu băng thông
Tên trường

Chiều dài (bit)

Ý nghĩa
Loại tiêu đề

HT

1
Mặc định HT = 1
Ecryption Control:Bit điều khiển mã hoá

EC

1
Mặc định EC=0
Có 2 giá trị:

Type

3

 000: yêu cầu tăng toàn bộ băng thông
 001: yêu cầu tăng dần

BR

19

Băng thông yêu cầu (SS yêu cầu cho từng CID)

CID

16

Connection identifier: nhận dạng của một kết nối

HCS

8

Header Checksum Sequence
Được dùng để kiểm tra lỗi cho tiêu đề

1.4.3 Lớp con bảo mật
Lớp con bảo mật (SS - Security Sublayer) chịu trách nhiệm mã hóa dữ liệu trước
khi truyền đi và giải mã dữ liệu nhận được từ lớp vật lý, phân quyền và trao đổi các
khóa bảo mật giữa BS (Base Station) và SS (Subcriber Station). Chuẩn IEEE 802.16
ban đầu sử dụng phương pháp DES 56 bit cho mã hóa lưu lượng dữ liệu và phương
pháp mã hóa 3-DES cho quá trình trao đổi khóa. Trong mạng IEEE 802.16, trạm gốc
chứa 48 bit ID nhận dạng trạm gốc (không phải là một địa chỉ MAC), còn SS có 48
bit địa chỉ MAC 802.3.

23

Lớp SS có 2 giao thức hoạt động chính:
- Giao thức đóng gói và mã hóa dữ liệu thông qua mạng băng rộng, giao thức
này định nghĩa một tập bộ mật mã hỗ trợ (cặp mã hóa dữ liệu, thuật toán xác
thực và các quy tắc để áp dụng các thuật toán)
- Giao thức quản lý khóa và bảo mật (PKM- Privacy and Key Management
Protocol) đảm bảo an toàn cho quá trình phân phối khóa từ BS tới SS
(Subcriber Station). Nó cũng cho phép BS đặt điều kiện truy nhập cho các dịch
vụ mạng.

1.5

CƠ CHẾ YÊU CẦU THIẾT LẬP KẾT NỐI

Trạm BS chỉ thực hiện phát tín hiệu với các SS đã kết nối tới. Vì vậy, khi SS truy
cập mạng, SS sẽ cần tiến hành các bước sau để kết nối với trạm BS. [1]

Hình 1.12: Quá trình khởi tạo và thiết lập kết nối [3]

- Quét và đồng bộ hóa kênh Downlink: khi một SS được cấp nguồn, nó sẽ
quétcác tần số DL và lắng nghe các DL preample từ các BS, nhận biết nó nằm
trong vùng phủ sóng của BS nào. SS sẽ gửi yêu cầu cần đồng bộ tới BS, nếu


24

được chấp nhận, thông tin về BS sẽ được lưu tại SS. Sau khi được đồng bộ, SS

xem xét các thông tin điều khiển FCH, DCD, UCD, DL-MAP, UL-MAP và
các thông số liên quan trong việc truyền DL và UL.
- Các thông số uplink kết nối: dựa trên các thông số UL được giải mã từ các
thông tin điều khiển, SS xác định BS nào là phù hợp với yêu cầu của nó. Nếu
BS nào phù hợp, SS sẽ đọc thông tin trong UL-MAP để xem cơ hội được
truyền tin.
- Thực hiện ranging: tại thời điểm này, SS thực hiện ranging với những sự thay
đổi về mức năng lượng để duy trì kết nối UL với BS.

Hình 1.13: Quá trình thực hiện ranging
- SS thỏa thuận về băng thông yêu cầu với BS cũng như các thông tin về SS.
- Đăng ký và thiết lập kết nối: BS thực hiện quá trình xác thực SS, trao đổi khóa
và tiến hành đăng ký truy nhập vào mạng. Thiết lập kết nối IP, thiết lập thời
gian kết nối và các thông số truyền phát.
- Thiết lập luồng dịch vụ, có thể bắt đầu truyền nhận gói tin.


25

Hình 1.14: Khời tạo luồng dịch vụ

1.5.1 Đường xuống DL
Đường xuống (DL – Down Link) là đường kết nối từ trạm phát BS đến các trạm
thuê bao SS, kết nối điểm – đa điểm. BS được gắn thiết bị ăng ten phân vùng. Khi BS
muốn truyền tin, BS sẽ truyền gói tin quảng bá, các SS trong vùng nhận tin sẽ kiểm tra
địa chỉ nhận trong DL-MAP. Nếu địa chỉ nhận trùng với địa chỉ của SS nào, thì SS sẽ
giữ lại gói tin của chính nó, nếu không SS sẽ bỏ qua gói tin đó, và gói tin tiếp tục
truyền đến SS khác. Đường truyền từ BS đến các SS là đường truyền trong thời gian
khung phụ truyền xuống nên BS truyền mà không cần phải điều phối với các trạm
khác,do đó không có sự tranh chấp về đường truyền.

1.5.2 Đường lên UL
Các cơ chế cấp phát băng thông cung cấp được sử dụng tại BS để phân bổ băng
thông tới SS:
- Cấp phát cho mỗi kết nối (GPC – Grant Per Connection): băng thông được BS
cấp phát riêng cho mỗi kết nối, và SS sử dụng băng thông được cấp phát chỉ
cho kết nối đó. GPC phù hợp với hệ thống mạng có hạn chế số lượng kết nối.
- Cấp phát cho mỗi trạm (GPSS - Grant Per SubScrible): băng thông được BS
cấp phát toàn bộ tương ứng theo yêu cầu của SS. SS chịu trách nhiệm phân
phối lượng băng thông được cấp phát cho các kết nối, duy trì mức QoS trên