ĐỒ ÁN BẢO MẬT TRONG WiMAX VÀ THUẬT TOÁN MÃ HÓA AES

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 trước.
Đà Nẵng, tháng 05 năm 2011
Sinh viên thực hiện

Mai Nhật Nam


MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................................4
Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX................................................................1
1.1 Giới thiệu chương:...................................................................................................1
1.2 Giới thiệu về công nghệ WiMAX:...........................................................................1
1.3 Môi trường 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 lượng dịch vụ QoS:........................................................................14
1.4.3.4
Hỗ trợ di động:........................................................................................16
1.4.3.5
Quản lý nguồn năng lượng:....................................................................17
1.5 Kết luận chương:...................................................................................................17
Chương 2. CÁC KỸ THUẬT BẢO MẬT TRONG WiMAX.........................................18
2.1 Giới thiệu chương:.................................................................................................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 chương:............................................................................................33
Chương 3. THUẬT TOÁN MÃ HÓA AES....................................................................34
3.1 Giới thiệu chương..................................................................................................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 trường hữu hạn GF(28)......................................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 bước 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 được tạo ra trước...................................................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 Ưu nhược điểm của AES.......................................................................................53

3.6.1
Ưu điểm..........................................................................................................53
3.6.2
Nhược điểm....................................................................................................53
3.6.3
Các phương pháp tấn công.............................................................................54
3.7 Kết luận chương....................................................................................................55
Chương 4. CHƯƠNG TRÌNH MÃ HÓA BẰNG THUẬT TOÁN AES.........................56
4.1 Giới thiệu chương..................................................................................................56
4.2 Mục đích của chương trình....................................................................................56
4.3 Giao diện chính của chương trình.........................................................................56
4.4 Mã hóa...................................................................................................................59
4.4.1
Trường hợp bản gốc và khóa mã là chuỗi hexa.............................................59
4.4.2
Trường hợp bản gốc và khóa mã là chuỗi ký tự.............................................60
4.4.3
Trường hợp bản gốc là chuỗi ký tự và khóa mã là chuỗi hexa......................60
4.4.4
Trường 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 phương 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 chương....................................................................................................67
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG 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 bước 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
được 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 như các
mạng không dây khác, nhược điểm lớn nhất của WiMAX là tính bảo mật do sự chia

sẻ môi trường 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 bước
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 được 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 được 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 được 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 phương pháp Brute Force để thể hiện tính bảo mật
thông tin khi sử dụng thuật toán mã hóa AES.
Đồ án được chia thành bốn chương được trình bày như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Chương này sẽ giới thiệu đến người đọc một số vấn đề cơ bản về mạng
WiMAX, cấu trúc và các kỹ thuật được sử dụng trong các lớp PHY và MAC của
mạng không dây WiMAX.
Chương 2: Các kỹ thuật bảo mật trong WiMAX


Chương 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.
Chương 3 : Thuật toán mã hóa AES
Chương này trình bày chi tiết các thủ tục được dùng trong quá trình mã hóa và
giải mã sử dụng thuật toán AES. Đưa ra các ưu nhược điểm của thuật toán này cùng
một số phương án tấn công đã có thể gây ảnh hưởng đến thuật toán mã hóa AES

cũng như mạng WiMAX.
Chương 4: Chương trình mô phỏng thuật toán mã hóa AES
Chương này ta sẽ thực hiện mã hóa và giải mã các trường hợp dữ liệu đầu vào
khác nhau, và thực hiện mô phỏng việc tấn công để tìm khóa mã bằng phương 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 được sự giúp đỡ, hướng 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
trường.
Do trình độ, kiến thức cũng như 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


1.1 Giới thiệu chương:
Chương 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 được những ưu nhược điểm của WiMAX so
với các thế hệ trước.

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 phương thức, nhưng
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 nhưng lại cần có đường dây kết nối,
các đường 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 người ta lại tạo
ra mạng vô tuyến như 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 người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2.5G) cho
phép truy cập ở tốc độ lên đến 171,2Kbit/s hay EDGE khoảng 300-400Kbit/s cũng
chưa 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 vượt
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 như vậy, WiMAX ra đời nhằm cung cấp một phương
tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và Wifi. Hệ
thống WiMAX có khả năng cung cấp đường 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 tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMAX


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
cũng hoạt động mềm dẻo như 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 (người sử
dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người 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 dưới 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 được 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 thường
xuyên được sử dụng để chỉ đến những hệ thống được xây dựng trên chuẩn 802.16d.
WiMAX di động cung cấp khả năng truy cập được mạng không dây khi thiết
bị kết nối đang di chuyển với tốc độ cao. Đây là một mệnh đề thường xuyên được
sử dụng để chỉ đến những hệ thống được 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

Đồ án tốt nghiệp

Trang 2


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX

1.3 Môi trường truyền trong mạng WiMAX:
Trong vô tuyến chia ra 2 loại môi trường truyền chính là LOS (truyền theo tầm
nhìn thẳng) và NLOS (truyền không theo tầm nhìn thẳng). Công nghệ WiMAX phát
triển và tối ưu 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 trường
LOS, bán kính cell lên đến 8km ở điều kiện NLOS.

Hình 1.2. Môi trường truyền LOS và NLOS
1.3.1

LOS (Light of Sight):

Trong một đường truyền NLOS, tín hiệu đi theo đường trực tiếp và không có
chướng ngại vật giữa phía phát và phía thu. Một đường truyền LOS yêu cầu phải có
đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng 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 trường LOS

Đồ án tốt nghiệp

Trang 3


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
Dịch vụ truy cập LOS dùng anten hướng 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 đường này sẽ ít xảy ra lỗi.
1.3.2

NLOS (Non-Light of Sight):

Trên một đường 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 được từ đường đi trực tiếp,
các đường phản xạ, năng lượng 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 đường trực tiếp là khác nhau.

Hình 1.4. Truyền sóng trong môi trường 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 ưu 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
hưởng đến tầm nhìn thẳng từ CPE (thiết bị tại nhà khách hàng) tới trạm gốc. Công
nghệ NLOS cũng giảm được chi phí cài đặt do CPE có thể cài đặt được ở nhiều điều
kiện địa hình phức tạp. Không những thế, công nghệ này cũng giảm thiểu được yêu
cầu khảo sát vị trí trạm (trước khi lắp đặt) và nâng cao độ chính xác của các công cụ
hoạch định NLOS.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 4


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX

1.4 Cấu trúc của một hệ thống WiMAX:
1.4.1

Cấu trúc phân lớp:

Hệ thống WiMAX được 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 tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu
chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở hình dưới
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 được 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 hướng và hai loại phương pháp song công:

Đồ án tốt nghiệp

Trang 5


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
 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, được
thiết kế để ứng dụng trong LOS và thông qua điều chế sóng mang đơn. Nó được
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 lượng 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 được hỗ trợ.
 Đường lên TDMA, đường xuống TDM hoặc TDMA.


Điều chế thích ứng Block và mã hóa FEC cho cả đường lên và đường
xuống.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 6


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
 Cấu trúc khung mà cho phép sự cân bằng và chỉ tiêu đánh giá kênh được cải
thiện đối với môi trường LOS và các môi trường trải rộng trễ được mở rộng.
 FEC ràng buộc vào nhau sử dụng Reed-Solomon và điều chế được mã hóa
mắt lưới 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 trước FEC: một lược đồ mã xoắn RS-CC tốc độ thay đổi

được 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 được 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 đường xuống sử dụng STC và các hệ thống anten
thích nghi (AAS) với SDMA. Lược đồ phân tập sử dụng hai anten ở BS để truyền
một tín hiệu được mã hóa STC.
 Truyền kênh con ở đường lên là một tùy chọn cho một SS, và sẽ chỉ được
sử dụng nếu các tín hiệu BS có khả năng giải mã các truyền dẫn như vậy.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 7


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
1.4.2.1.3 Đặc tả WirelessMAN-OFDM:
Lớp PHY OFDMA WirelessMAN cũng có thiết kế dựa trên điều chế OFDM,
sử dụng lược đồ 2048 sóng mang OFDM. Đa truy cập được thực hiện bằng cách
gán một tập con các sóng mang cho một máy thu cá nhân, và vì vậy nó được xem
như là OFDMA.
Lớp PHY OFDMA hỗ trợ hai hoạt động TDD và FDD.
CC (mã xoắn) là lược đồ mã hóa được yêu cầu và các tốc độ mã hóa giống
nhau được hỗ trợ như được hỗ trợ bởi lớp PHY OFDM. Các lược đồ mã hóa BTC
và CTC được hỗ trợ tùy chọn. Các mức điều chế giống nhau cũng được hỗ trợ. STC
và AAS với SDMA được hỗ trợ, cũng như 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 đường UL và DL được cấp phát riêng biệt trên
các dải tần số. Các kênh UL và DL được nhóm vào trong các khối kề nhau của từng
cặp kênh như hình bên dưới. Một cặp kênh UL và DL bị chia cắt bởi tần số
100MHz.

Hình 1.6. Phổ trong hệ thống FDD
Ưu 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 như thoại, nơi mà lưu lượng 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.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 8


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX


Giảm giao thoa của hệ thống: Nhờ khoảng cách lớn giữa 2 đường 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 được giảm
nhỏ, network radio planning thì dễ dàng hơn cho các hệ thống FDD.


Nhược điểm của các hệ thống FDD


Phân bố kênh cố định: Trong hệ thống FDD sự phân bố kênh UL và DL được
ấn định. Trong khi nó cung cấp các lợi ích cho các lưu lượng 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 lưu lượng dữ liệu và việc truy cập internet bị ảnh hưởng
lớn, băng thông cần thiết của người 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 đường 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 được yêu cầu cô lập với hai
đường UL và DL. Các chi phí trên cao thì cũng có thể chấp nhận tại các BS
nhưng tại các SS thường sử dụng FDD bán song công (H-FDD) nhằm mục
đích đưa 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 đường UL và DL
cũng không yêu cầu một băng bảo vệ. Thay vào đó hệ thống TDD sử dụng cùng

một kênh cho hai đường truyền UL và DL nhưng xét trong miền thời gian. Mỗi
kênh gồm có một đường dành cho DL và một dành cho khung con của đường UL
như hình mô tả bên dưới.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 9


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX

Hình 1.6. Cấu trúc TDD
Hệ thống TDD sử dụng các băng bảo vệ giữa đường truyền từ DL đến UL và
từ UL đến DL. Các băng bảo vệ này được gọi là TTG (Transmit/receive Transition
Gap) và RTG (Receive/transmit Transition Gap). Nói chung là các TTG thì lớn hơn
RTG để cho phép thời gian trễ lên xuống của tín hiệu từ viền của các sestor là chấp
nhận được.
Ưu 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 được dùng
chung cho cả hai đường UL và DL.

Nhược 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 tượng 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 như 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 được

Đồ án tốt nghiệp

Trang 10


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
và giải pháp cho trường hợp này sẽ để lại một băng bảo vệ khá lớn giữa các
băng đã sử dụng.
1.4.3
1.4.3.1

Lớp MAC:

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).
 Lớp con phần chung (CPS-common part sublayer) cung cấp các chức năng
cho phần lõi của lớp MAC, chẳng hạn như tạo lập đường 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.
Hìn

h 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 được gọi là

Đồ án tốt nghiệp

Trang 11


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
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 như ATM, TDM voice, Ethernet, IP và nhiều giao thức chưa
được công bố.
Lớp MAC được thiết kế từ cơ bản đến việc hỗ trợ tốc độ cao của đỉnh bit trong
khi phát các bản tin chất lượng dịch vụ giống như ATM hay DOCSIS. Lớp MAC
WiMAX sử dụng chiều dài MPDU thay đổi và đưa ra nhiều phương thức truyền để

mang lại hiệu quả cao nhất. Ví dụ, nhiều MPDU có chiều dài giống hay khác nhau
có thể tập hợp vào trong một burst đơn lưu giữ ở đầu của lớp PHY. Tương tự, nhiều
MPDU từ các dịch vụ lớp cao hơn có lẽ được nối với nhau vào trong một MPDU
đơn để lưu vào đầu header của lớp MAC. Ngược lại, những MSDU lớn được chia
thành những đoạn MPDU nhỏ hơn và được gởi qua nhiều khung nhịp.
Hình bên dưới là ví dụ cho các khung dạng MAC PDU(packet data unit) khác
nhau. Mỗi khung MAC được 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
được truyền lại. Kiểu của tải trọng mang thông tin vận chuyển được nhận biết bằng
phần header con đứng ngay trước 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 chưa phân mảnh. Độ dài khung
lớn nhất là 2047 byte được đại diện bởi 11 bít trong phần GMH.
Bảng 1.1 : Các ví dụ khác nhau của khung MAC PDU
GMH

SH

Đồ án tốt nghiệp

Gói MSDU

Gói MSDU

...

Gói MSDU

có kích

có kích

có kích

thước cố

thước cố

thước cố

CRC

Trang 12


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
định

định

định

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

GMH

SH

FSH

khác

MSDU

CRC

(b) Một MSDU đơn phân mảnh
Kích

Kích thước

thước
GMH

SH

PSH

MSDU có
thể thay

MSDU có
PSH

thể thay

…

CRC

đổi hay 1

đổi hay 1

đoạn

đoạn

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

GMH

SH

ARQ Feedback

khác

CRC

(d) ARQ mang thông tin

GMH

SH
khác

FSH

ARQ
Feedback

PSH

Kích thước MSDU có
thể thay đổi hay 1 đoạn

CRC

(e) ARQ and MSDUs payload

GMH

Đồ án tốt nghiệp

Bản tin quản lý MAC

CRC

Trang 13


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
(f) Khung quản lý MAC
Với
CRC: Cyclic Redundancy Check
FSH: Fragmentation Subheader

GMH: Generic MAC Header
PSH: Packing Subheader
SH: Subheader
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 người sử dụng, ở cả hai đường 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 trường hợp đó thì BS sẽ cấp phát
dải thông đến MS, và tại MS sẽ được chia ra nhiều phần cho nhiều kết nối. Còn lại
tất cả việc lập lịch khác trên đường uplink và downlink đều do các BS giải quyết.
Đối với đường downlink, các BS có thể cấp phát dải thông cho mỗi MS dựa trên
những nhu cầu về lưu lượng đến mà không cần thông tin yêu cầu từ MS. Ngược lại
đối với đường 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 được 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 được dùng khi băng thông sử dụng bị
thiếu do dùng quá nhiều MS. Khi polling được 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 trường hợp khi có nhiều hơn một MS
cùng cố gắng để sử dụng khe chung đó. Nếu nó đã định vị trí gởi lưu lượng, 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).
Đồ án tốt nghiệp

Trang 14


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
(3) Mang một băng thông yêu cầu trên những header MAC chung.
1.4.3.3

Chất lượng dịch vụ QoS:

Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS rất cần thiết đối với hệ thống băng rộng không
dây với các kênh được 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 lượng dịch vụ hoặc các lỗi dịch vụ. Mặc dù trong
thực tế các thuê bao đang dùng chung một đường truyền kết nối băng rộng với
nhiều thuê bao khác nhau nhưng họ mong đợi nhà cung cấp dịch vụ cung cấp các
tính năng ở một mức độ chấp nhận được trong mọi điều kiện.
Để hỗ trợ một sự đa dạng trong việc ứng dụng, WiMAX đã định nghĩa năm
chương trình dịch vụ được hỗ trợ bởi các BS để đưa ra các phương án vận chuyển
dữ liệu thông qua việc nối kết:
(1) Chấp nhận cấp các dịch vụ (UGS-Unsolicited grant services): Nó được
thiết kế để hỗ trợ các gói dữ liệu có kích thước 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 được thiết kế để hỗ trợ luồng dịch vụ thời gian thực, như là MPEG
video, mà phát các gói dữ liệu có kích thước thay đổi theo một chu kỳ nhất định. Sự
bắt buộc của các tham số luồng dữ liệu được 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 được thiết kế để hỗ trợ do trễ sai số của luồng dữ
liệu, như là FTP, qui định gói dữ liệu có kích cỡ thay đổi cho phép tốc độ được đảm

bảo ở một tốc độ tối thiểu.
(4) Dịch vụ Best-Effort (BE): Dịch vụ này được thiết kế để hỗ trợ những
dòng dữ liệu, như 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 được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng thời gian
Đồ án tốt nghiệp

Trang 15


Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX
thực, như VoIP với sự nén khi yên lặng, có tốc độ dữ liệu có thể thay đổi nhưng yêu
cầu về độ trễ và tốc độ dữ liệu phải được đảm bảo. Dịch vụ này chỉ được định nghĩa
trong chuẩn IEEE 802.16e-2005 mà không có trong IEEE 802.16-2004. Nó cũng
được quy vào như 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 đường uplink và downlink thông qua việc
sử dụng một quy trình quản lý lưu lượng. Quy trình này phản ánh các nhu cầu về
lưu lượng và các thông tin về các thuê bao cá nhân. Sau đó các thuật toán tổng hợp
được 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
trưng cho tính di động của mình:
 Thông dụng: Người sử dụng được 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 được cung cấp đến một thiết bị di động,
như một PC card, dựa vào ứng dụng best-effort.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 16