Nghiên cứu công nghệ và mã hóa bảo mật trong Wimax

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN HẢI BÁO

NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ
VÀ MÃ HĨA BẢO MẬT TRONG WIMAX
Chuyên ngành :

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VIẾT NGUYÊN

Hà Nội - 2010

i


LỜI CẢM ƠN
Để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này, tôi xin gửi lời cảm ơn tới
Thầy giáo TS. Nguyễn Viết Ngun đã tận tình giúp đỡ tơi trong suốt thời
gian làm luận văn vừa qua.
Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô giáo trong khoa
Điện tử Viễn thông, các bạn trong lớp đã giúp tơi trong suốt khóa học cũng
như việc hồn thành luận văn này.

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kỳ Luận văn nào khác. Các số liệu minh họa được chú
thích, trích dẫn tham khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể.
Hà nội, tháng 10 năm 2010
Học viên thực hiện

Nguyễn Hải Báo

iii


MỤC LỤC
Nội dung……………………………………………………………….. Trang
CHƯƠNG1. CÔNG NGHỆ WIMAX………………………..………….……1
1.1 Khái niệm về mạng không dây băng rộng ………………………………..1
1.2 Công nghệ WiMAX……………………………………………..………. 2
1.2.1 WIMAX so với một số công nghệ khác……………………….....4
1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16 ………………………………6
1.2.3 WiMAX và 3G LTE ……………………………………………12
1.3 Đặc điểm cơ bản của WiMAX …………………………………………15
1.3.1 Đặc điểm của WiMAX cố định…………………………………16
1.3.2 Đặc điểm của WiMAX di động ………………………………..17
1.4 Đặc điểm công nghệ……………………………………………………..17
1.4.1 WiMAX cố định - IEEE 802.16d-2004 ………………………….20
1.4.1.1 Lớp MAC …………………………………………………….20
1.4.1.1.1 Lớp con hội tụ CS ………………………………………….20

1.4.1.1.2 Lớp con MAC CPS ………………………………………..22
1.4.1.1.3 Lớp con bảo mật ……………………………………………30
1.4.1.2 Lớp PHY……………………………………………………..32
1.4.2 WiMAX di động - IEEE 802.16e – 2005………………………….34
1.4.2.1 Lớp MAC.……………………………………………………34
1.4.2.2 Lớp PHY trong Wimax di động...……………………………39
1.4.2.3 Bảo mật ……………………………………………………..44
1.5 Một số kết quả thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam ……………………..45
1.5.1 Thử nghiệm WiMAX cố định…………………..…………………45
1.5.2 Thử nghiệm WiMAX di động……………………………………..50
1.6 Khả năng ứng dụng các dịch vụ WiMAX……………………………….51
CHƯƠNG 2. OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX………………...53
2.1 Khái quát công nghệ OFDM…………………………………………….53

iv


2.1.1 Ý tưởng điều chế đa sóng mang……………………………….53
2.1.2 Sử dụng IFFT để tạo sóng mang con…… …………………….54
2.1.3 Khoảng thời gian bảo vệ và tiền tố chu trình ………………….57
2.2 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong WiMAX………………………………59
2.2.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA…………...60
2.2.1.1 Các kỹ thuật trong OFDMA………………………………….61
2.2.1.2. Cấu trúc ký hiệu OFDMA và phân kênh con……………..…63
2.2.2 OFDMA co giãn (scalable - OFDMA)……………………………65

2.2.3 Cấu trúc khung TDD…………………………………....66
CHƯƠNG 3. BẢO MẬT TRONG WIMAX………………………………..67
3.1 Chuẩn mã hoá dữ liệu DES (Data Encryption Standard)……………….70
3.1.1 Giới thiệu về chuẩn mã hoá dữ liệu DES……………………….70

3.1.2 Thuật tốn mã hóa DES………………………………………..71
3.1.3 Thuật tốn mã hoá dữ liệu bội ba (Triple DES hay 3DES)…….88
3.1.4 DES trong chế độ CBC……………………………………...…90
3.2 Chuẩn mã hóa tiên tiến AES-Advanced Encryption Standard .............94
3.2.1 Giới thiệu về mã hóa AES.........................................................94
3.2.2. Thuật tốn mã hóa AES.............................................................98
3.2.3 AES-CCM trong Wimax……………………………………..109
3.3 Cơ chế đảm bảo an ninh trong WiMAX ..…………………………....113
3.3.1 Phân tích một số lỗ hổng an ninh trong wimax cố định……….113
3.3.2 Các biện pháp tăng cường an ninh trong WiMAX……………..117
PHẦN KẾT LUẬN ……………………………………………………....120
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….121

v


THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT
3-DES

Triple Data Encryption Standard

Chuẩn mã hóa dữ liệu bội
ba

3G

Third Generation Technology

Cơng nghệ truyền thơng
thế hệ thứ ba

The Third Generation

Dự án quan hệ đối tác thế

Partnership Project

hệ thứ ba

AES

Advanced Encryption Standard

Chuẩn mã hóa tiên tiến

AK

Authorization Key

Khóa xác thực

AMC

Adaptive Modulation and

Điều chế thích nghi và mã

Coding

hóa

Authentication Security

Liên kết bảo mật chứng

Association

thực

Asynchronous Transfer Mode

Kiểu truyền không cân

3GPP

ASA
ATM

bằng
BRH

Bandwidth Request Header

Mào đầu yêu cầu băng
thông

BS

Base Station

Trạm gốc

BWA

Broadband Wireless Access

Truy nhập vô tuyến băng
rộng

CBC

Cipher Block Chaining

Chuỗi khối mật mã

CC

Convolutional Code

Mã chập

CDMA

Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia

Access

theo mã

CID

Connection Identify

Nhận dạng kết nối

CPE

Customer Premises Equipment

Thiết bị đầu cuối khách
hàng

vi


CPS

Common Part Sublayer

Lớp con phần chung

CQI

Channel Quality Indicator

Chỉ số chất lượng kênh

CQICH

Fast Channel Feedback

Phản hồi kênh nhanh

CS

Service-Specific Convergence

Lớp con hội tụ dịch vụ

Sublayer
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access
with Collision Avoidance

Phương pháp truy nhập
nhạy cảm sóng mang có
cơ chế tránh xung đột
Mã Turbo chập

CTC

Convolutional Turbo Code

CTR

Counter Encryption Mode

DES

Data Encryption Standard

Chuẩn mã hóa dữ liệu

DFS

Dynamic Frequency Selection

Lựa chọn tần số động

DHCP

Dynamic Host Configuration

Giao thức gán địa chỉ IP

Protocol

động chi thiết bị trên
mạng

DSA

Data Security Association

Liên kết bảo mật dữ liệu

DSL

Digital Subcriber Line

Đường dây thuê bao số

EAP

Extensible Authentication

Giao thức chứng thực mở

Protocol

rộng

European Telecommunications

Viện tiêu chuẩn Viễn

Standards Institute

thông châu âu

Frame Check Sequence

Kiểm tra sự liên tục khung

ETSI

FCS

dữ liệu

FDM

Frequency Division Duplexing

Ghép kênh phân chia theo
tần số

FEC

Forward Error Correction

Mã sửa sai

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi nhanh Fourier

vii


FUSC

mang con được sử dụng

Full Used Subcarrier

hoàn toàn
GMH

Generic MAC Header

HARQ

Hybrid Automatic Repeat

yêu cầu lặp lại tự động

Request

kiểu kết hợp

Hash Message Authentication

Mã xác thực bản tin Hash

HMAC

Code
HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói dữ liệu tốc
độ cao

HT

Header Type

Kiểu mào đầu

ICI

Inter Carrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Nghịch đảo biến đổi

Transform

Fourier rời rạc

Institute of Electrical and

Viện kỹ thuật điện và điện

Electronic Engineers

tử

Inverse Fast Fourier Transform

Nghịch đảo biến đổi

IEEE

IFFT

nhanh Fourier
IP

Initial Permutation

Hoán vị ban đầu

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu liên ký hiệu

ITU

International

Hiệp hội Viễn thông quốc

Telecommunication Union

tế

IV

Initialization Vector

Vector khởi tạo

KEK

Key encryption Key

Khóa mật mã khóa

LAN

Local Area Network

Mạng nội hạt

LDPC

Low Density Parity Check Code

Mã kiểm tra chẵn lẻ mật
độ thấp

LMDS

Local Multipoint Distribution

viii

Dịch vụ phân chia đa điểm

Service

nội hạt

LOS

Ligh - Of - Sight

Tầm nhìn thẳng

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy nhập đa
phương tiện

MIC

Message Integrity Code

Mã toàn ven bản tin

MIMO

Multiple - In, Multiple - Out

Nhiều đầu vào, nhiều đầu

ra

NLOS

Không trong tầm nhìn

None Ligh - Of - Sight

thẳng
OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo

Multiplexing

tần số trực giao

Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia

Multiple Access

theo tần số trực giao

OSI

Open Systems Interconnection

Liên kết hệ thống mở

PAR

Peak-to-Average power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên

OFDMA

trung bình
Hốn vị lựa chọn

PC

Permuted Choice

PDA

Personal Digital Assistant

PDU

Protocol Data Unit

Giao thức đơn vị dữ liệu

PHY

Physical

Vật lý

PKM

Privacy Key Management

Quản lý khóa bảo mật

PN

Packet Number

Số gói

PUSC

Part Used Subcarrier

mang con được sử dụng

Thiết bị hỗ trợ cá nhân số

một phần
QAM
QoS

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu

Modulation

phương

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

ix


QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương

RLC

Radio Link Control

Điều khiển liên kết vô
tuyến

RTG

Receive Time Guard

Khoảng bảo vệ hướng thu

SAP

Service Access Point

Điểm truy nhập dịch vụ

SC-

Single-carrier FDMA

FDMA đơn sóng mang

SDU

Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SNMP

Simple Network Management

Giao thức quản lý mạng

Protocol

đơn giản

FDMA

S-

Scalable - Orthogonal Frequency Đa truy nhập phân chia

OFDMA

Division Multiple Access

theo tần số trực giao có
thể co giãn

SS

Subcriber Station

Trạm thuê bao

SVC

Switched Virtual Connection

Chuyển mạch kết nối ảo

TDM

Time Division Duplexing

Ghép kênh phân chia theo

thời gian

TEK

Traffic Encrytion Key

Khóa mật mã lưu lượng

TFTP

Trivial File Transfer Protocol

Giao thức truyền file

TLV

Type-Length-Value

Kiểu giá trị độ dài

TTG

Transmit Time Guard

Khoảng bảo vệ hướng
phát

TTLS

UGS

Tunneled Transport Layer

Bảo mật lớp tải kiểu

Security

đường hầm

Unsolicited Grant Service

Dịch vụ cấp phát không
được yêu cầu

UWB

Ultra Wireless Broadband

x

Siêu băng thông


VoIP

Voice over Internet Protocol

Thoại qua giao thức
internet

World Communication

Hiệp hội Truyền thông Vô

Association

tuyến điện Quốc tế

Wideband Code Division

Mạng băng rộng đa truy

Multiple Access

nhập phân chia theo mã

Worldwide Interoperability

Truy nhập sóng ngắn

Microwave Access

tương tác tồn cầu

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng khơng dây nội hạt

WMAN

Wireless Metropolitant Area

Mạng không dây đô thị

WCA

WCDMA

WiMAX

Network

xi


Giới thiệu đề tài nghiên cứu
Hiện nay công nghệ WiMAX là một trong những công nghệ băng rộng
không dây được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai rộng rãi trên toàn thế
giới cũng như Việt Nam. Với tốc độ truy cập lên tới 70Mbps trong bán kính
phủ sóng tới 50km (trong tầm nhìn thẳng) của chuẩn WiMAX cố định theo
chuẩn 802.16d, cũng như khả năng duy trì kết nối với tốc độ di chuyển lên tới
120km/h và tốc độ truyền tối đa lên đến 75 Mb/s của WiMAX di động như
hiện nay theo chuẩn 802.16e và sự cải tiến về tốc độ truyền lên đến 100 Mb/s
khi di chuyển và 1 Gb/s khi truy nhập cố định đồng thời cũng hỗ trợ tốc độ di
chuyển khi truy nhập mạng lên tới 350 km/h theo chuẩn 802.16m. Chuẩn
802.16m dự định hoàn thiện vào năm 2010 và các sản phẩm thương mại của
WiMAX theo chuẩn này sẽ được đưa ra thị trường vào cuối 2011, đầu 2012,
công nghệ WiMAX hứa hẹn sẽ mang lại cuộc cách mạng thực sự trong việc

thay đổi cách thức truy cập Internet của con người trong vài năm tới.
Việc thử nghiệm kỹ thuật và nghiên cứu các yếu tố kinh tế, xã hội ảnh
hưởng bởi WiMAX đã được các doanh nghiệp kinh doanh hàng đầu trong
lĩnh vực viễn thông nước ta như: VNPT, Viettel, VTC, FPT, EVN tiến hành
đối với WiMAX cố định từ tháng 03 năm 2006 và WiMAX di động từ 01
tháng 10 năm 2007 đã chứng tỏ vai trò quan trọng của WiMAX trong chiến
lược phát triển của các doanh nghiệp cũng như lợi ích mang lại cho người tiêu
dùng không chỉ ở thành thị mà cịn tới cả các vùng nơng thơn xa xơi hẻo lánh
được coi là khó khăn như xã Tả Van thuộc tỉnh Lào Cai. Việc nghiên cứu kỹ
thuật và khả năng ứng dụng công nghệ WiMAX để đáp ứng nhu cầu dịch
trong mạng Viễn thông Việt Nam hiện nay đang là vấn đề được nhiều người
quan tâm. Luận văn này sẽ đi sâu vào nghiên cứu công nghệ này cùng với các
kỹ thuật mã hóa bảo mật trong WiMAX.

xii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh các chuẩn IEEE 802.16………………………………….10
Bảng 1.2 So sánh đặc điểm của WiMAX với 3G LTE …………………….13
Bảng 1.3 Các loại khóa bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16-2004……….31
Bảng 1.4 Đặc tính vật lý chuẩn IEEE 802.16……………………………….32
Bảng 1.5 Q o S trong Wimax di động……………………………………...…36
Bảng 1.6 Tốc độ dữ liệu lớp PHY trong Mobile WiMAX………………….40
Bảng 1.7 Thông số thiết bị WiMAX thử nghiệm tại Lào Cai……..………..46
Bảng 2 Các thông số S-OFDMA………………………………………….66
Bảng 3.1 Bảng kết quả sau hoán vị khởi tạo………………………………..73
Bảng 3.2 Bảng lựa chọn E bit……………………………………………….74
Bảng 3.3 Hộp thay thế (S-Substitution) ……………………………..……..75
Bảng 3.4 Bảng hoán vị P……………………………………………………76

Bảng 3.5 Hoán vị khởi tạo ngược IP-1 của DES…………………………….77
Bảng 3.6 Bảng lựa chọn hoán vị 1: PC-1 …………………………………..78
Bảng 3.7 Bảng lựa chọn hoán vị 2: PC-2…………………………………..78
Bảng 3.8 Sơ đồ dịch vịng trái ……………………………………………..79
Bảng 3.9 Khóa - khối bit - số vòng………………………………………....99
Bảng 3.10 Bảng S-box…………………………………………………… 101
Bảng 3.11 Mở rộng khóa 128bit………………………………………….. 105
Bảng 3.12 Bảng S-box đảo…………………………………………………106
Bảng 3.12 Mã hóa AES-128……………………………………………….108

xiii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ
Hình 1.1 Mơ hình mạng băng rộng khơng dây………………………………..1
Hình 1.2 Mơ hình mạng WiMAX……………………………………….…15
Hình 1.3 Mơ hình phân lớp chuẩn 802.16…………………………………..19
Hình 1.4 Chức năng các lớp trong mơ hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16….20
Hình 1.5 Quá trình phân loại MAC SDU…………………………………....21
Hình 1.6 Đinh dạng MAC PDU………………………………………….....24
Hình 1.7 Q o S trong WiMAX………………………………………………..35
Hình 1.8 Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS…….40
Hình 1.9 Cơ chế yêu cầu lặp lại tự động khi lỗi xảy ra……………………..43
Hình 1.10 Ảnh thung lũng Tả Van của tỉnh Lào Cai………………………..48
Hình 1.11 Ảnh người dân xã Tả Van truy cập internet……………………...50
Hình 2.1 Bộ điều chế OFDM……………………………………………….55
Hình 2.2 Bốn sóng mang con OFDM trong miền thời gian………………..56
Hình 2.3 Bốn sóng mang con OFDM trong miền tần số……………………56
Hình 2.4 Chèn khoảng bảo vệ………………………………………………58
Hình 2.5 Tín hiệu OFDM với 48 sóng mang con……………………………59

Hình 2.6 Kỹ thuật OFDM và OFDMA……………………………………...60
Hình 2.7 Mơ tả tuyến lên của OFDMA và OFDM…………………………61
Hình 2.8 Cấu trúc sóng mang con OFDMA…………………………………62
Hình 2.9 Kênh con phân tập tần số DL……………………………………...63
Hình 2.10 Cấu trúc tile cho UL PUSC………………………………………65
Hình 2.11 Cấu trúc khung 802.16e OFDMA ……………………………….67
Hình 3.1. Thuật tốn mã hố DES…………………………………………...72
Hình 3.2 Hàm lặp f của DES………………………………………………..73
Hình 3.3 Sơ đồ tính tốn khóa……………………………………………….80
Hình 3.4 Cấu trúc DESX……………………………………………………85

xiv


Hình 3.5 Tấn cơng “giao nhau ở giữa” chống lại DES kép…………………87
Hình 3.6 Sơ đồ mã hố và giải mã Triple DES...........................................89
Hình 3.7 Mã hố DES – CBC……………………………………………….90
Hình 3.8 Ngun lý làm việc của chế độ CBC……………………………..91
Hình 3.9 Triple DES trong chế độ CBC......................................................93
Hình 3.10 Chỉ số byte và bit………………………………………………..96
Hình 3.11 Bảng trạng thái đầu vào và đầu ra………………………………97
Hình 3.12 Sơ đồ thuật tốn mã hóa và giải mã AES-128 …………………99
Hình 3.13 Áp dụng S-box cho mỗi byte của bảng trạng thái……………...100
Hình 3.14 Dịch vịng trong 3 hàng cuối của bảng trạng thái………………101
Hình 3.15 Hoạt động Mixcolumn trên từng cột của bảng trạng thái………102
Hình 3.16 XOR mỗi cột trong bảng trạng thái với một từ trong hệ thống
khóa…………………………………………………………….103
Hình 3.17 Vịng lặp mã hóa AES …………………………………………103
Hình 3.18 InvShiftRows…………………………………………………..106
Hình 3.19 Sơ đồ giải mã AES-128………………………………………..107

Hình 3.20 Nonce…………………………………………………………...110
Hình 3.21 CCM CBC Block………………………………………………..110
Hình 3.22 CCM counter block……………………………………………111
Hình 3.23 Q trình mã hóa và tạo mã nhận thực bản tin…………………112
Hình 3.24 Mã hóa tải tin AES-CCM………………………………………112
Hình 3.25 Sơ đồ kết nối mạng WiMAX…………………………………..113

xv


CHƯƠNG1. CƠNG NGHỆ WIMAX
1.1 Khái niệm về mạng khơng dây băng rộng
Băng rộng không dây là một công nghệ hứa hẹn những kết nối tốc độ
cao trong khơng trung. Nó sử dụng sóng radio để truyền, nhận dữ liệu trực
tiếp tới và từ người dùng bất cứ khi nào họ muốn. Các công nghệ như 3G,
Wifi hay WiMAX và UWB(Ultra Wide Band) sẽ làm việc cùng nhau để đáp
ứng nhu cầu duy nhất này của khách hàng. Truy nhập không dây băng rộng
(BWA-Broadband Wireless Access) là hệ thống điểm đa điểm được tạo nên
từ các trạm phát sóng cơ sở và các thiết bị của khách hàng như hình dưới sẽ
chỉ ra một trạm phát sóng cơ sở được kết nối với mạng đường trục. Thay vì sử
dụng các kết nối vật lý giữa các trạm cơ sở và các thuê bao, các trạm phát
sóng cơ sở sử dụng anten ngồi trời để thu/phát tín hiệu thoại, dữ liệu tốc độ
cao tới các thuê bao. Công nghệ này giảm được những yêu cầu về cơ sở hạ
tầng hữu tuyến đồng thời cung cấp những giải pháp mềm dẻo và hiệu quả cho
những chặng cuối

Hình 1.1 Mơ hình mạng băng rộng không dây
1

Đặc điểm nổi bật của mạng không dây băng rộng :


Cho phép thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách
rất đơn giản, tiết kiệm, có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời
với khả năng cơ động mềm dẻo cao.



Có thể thực hiện được các kết nối một cách linh hoạt mà mạng hữu
tuyến băng rộng không thể thực hiện được.



Luôn kết nối. Bất kì khi nào máy tính được bật lên thì nó đều ở trạng
thái kết nối với internet. Điều này có nghĩa là khơng phải lãng phí thời
gian cho việc thực hiện các thủ tục kết nối mạng mỗi khi cần.



Nó vượt qua sự thực thi và độ tin cậy của các mạng hữu tuyến với
đường dây thuê riêng.



Tạo ra môi trường cạnh tranh cho sự phát triển các dịch vụ và các sản
phẩm mới. Các đặc tính của BWA sẽ thu hút các công ty, các nhà đầu
tư vào ngành công nghiệp băng rộng không dây.

1.2 Công nghệ WiMAX

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) là tên
thương mại của chuẩn IEEE 802.16. Ban đầu chuẩn này được tổ chức IEEE
đưa ra nhằm giải quyết các vấn đề kết nối cuối cùng trong một mạng không
dây đô thị (WMAN-Wireless Metropolitant Area Network) hoạt động trong
tầm nhìn thẳng LOS (Line of Sight) với khoảng cách từ 30 tới 50 km. Nó
được thiết kế để thực hiện lưu lượng đường trục cho các nhà cung cấp dịch vụ
Internet không dây, kết nối các điểm nóng WiFi, các hộ gia đình và các doanh
nghiệp….đảm bảo QoS cho các dịch vụ thoại, video, hội nghị truyền hình thời
gian thực và các dịch vụ khác với tốc độ hỗ trợ lên tới 280 Mbit/s mỗi trạm
gốc. Chuẩn IEEE 802.16-2004 hỗ trợ thêm các hoạt động không trong tầm
nhìn thẳng tại tần số hoạt động từ 2 tới 11 GHz với các kết nối dạng mesh
(lưới) cho cả người sử dụng cố định và di động. Chuẩn mới IEEE 802.16e –

2


2005 hay còn gọi là “WiMAX Mobile Release 1”, được giới thiệu vào ngày
28/2/2006 bổ sung thêm khả năng hỗ trợ người dùng di động hoạt động trong
băng tần từ 2 tới 6 GHz với phạm vi phủ sóng tới 30 km. Chuẩn này hiện
đang được thử nghiệm ở nhiều nước, được hy vọng là sẽ mang lại dịch vụ
băng rộng thực sự cho những người dùng thường xuyên di động với các thiết
bị như laptop, thiết bị hỗ trợ cá nhân số (PDA-Personal Digital Assistant) tích
hợp cơng nghệ WiMAX. Phiên bản 802.16m hay còn gọi là “WiMAX Mobile
Release 2” cũng đã được hoàn thiện vào cuối 2009 với mục đích đẩy tốc độ
truyền lên tới 100Mbps đối với truy nhập di động và lên đến 1Gbps đối với
truy nhập cố định trong khi vẫn tương thích với wimax cố định và di động đã
và đang triển khai.
WiMAX cố định: Là công nghệ mạng cho những thiết bị truy cập mạng cố
định tại chỗ, hoặc có thể di chuyển từ nơi này qua nơi khác nhưng tốc độ rất
chậm, trong đó sử dụng các anten hướng tính, kỹ thuật ghép kênh phân chia

theo thần số trực giao (OFDM) bởi vì về bản chất OFDM ít phức tạp hơn so
với kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao trên kênh co giãn
(SOFDMA). Kết quả là, các mạng 802.16-2004 có thể được triển khai nhanh
hơn với chi phí thấp hơn.
WiMAX di động: Là giải pháp không dây băng rộng đáp ứng các ứng dụng cố
định cũng như các dịch vụ di động nên được gọi là wimax di động. WiMAX
di động sử dụng công nghệ OFDMA tạo cho các định dạng 802.16e linh hoạt
hơn khi việc quản lý các dịch vụ người dùng khác nhau với rất nhiều các kiểu
anten và các yếu tố hình dạng khác nhau. Nó đem lại sự giảm bớt can nhiễu
cho các thiết bị khách hàng có các anten tồn hướng và khả năng truyền
khơng trong tầm nhìn thẳng (NLOS) được cải thiện - những yếu tố rất cần
thiết khi hỗ trợ các thuê bao di động. Việc tạo kênh phụ sẽ xác định các kênh
con để có thể gán cho các thuê bao khác nhau tuỳ thuộc vào các trạng thái
3


kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng . Điều này tạo điều kiện để nhà khai
thác linh hoạt hơn trong việc quản lý băng thông và công suất phát, và dẫn
đến việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn.
1.2.1 WIMAX so với một số công nghệ khác.
Mạng đô thị MAN (Metro Area Network) theo định nghĩa là mạng bao
phủ trên phạm vi một đô thị. Về mặt ứng dụng, trên mạng MAN người ta có
thể triển khai cung cấp thông tin cho rất nhiều các loại dịch vụ cơng cộng
khác nhau như y tế, văn hóa, xã hội… Về mặt kĩ thuật, mạng MAN là tập hợp
của rất nhiều công nghệ khác nhau, mỗi công nghệ tương ứng với một phần
khác nhau trong mạng. Cũng giống như các mạng LAN, WAN, mạng MAN
chia làm hai loại: mạng MAN có dây và mạng MAN khơng dây.
WiMAX là cơng nghệ cho mạng MAN khơng dây: Đã có khá nhiều cơng
nghệ băng rộng không dây ra đời, nhưng cho tới nay, chưa có một cơng nghệ
khơng dây băng rộng nào hướng tới mục tiêu cung cấp tổng hợp các giải pháp

truy nhập cho mạng MAN một cách tối ưu như WiMAX. Các công nghệ đi
trước chỉ cung cấp các giải pháp đơn lẻ, hướng tới một mục phần cụ thể trong
mạng MAN ví dụ như LMDS hay WiFi,…
LMDS (Local multipoint distribution service): Là công nghệ truy nhập vô
truyến băng rộng dành cho các tổ chức chính phủ, sử dụng dải tần phổ biến ở
26 đến 29 GHz để truyền sóng. LMDS là một chuẩn được chỉnh sửa từ IEEE
802 LAN/MAN thông qua sự nỗ lực của nhóm IEEE 802.16.1
Ở dải tần số lớn, LMDS chỉ cho phép truyền sóng trong tầm nhìn thẳng
(LOS) trong phạm vi tối đa 8 km, thơng thường chỉ giới hạn đến 2.4 km vì lý
do suy hao đường truyền gây ra bởi fading do mưa. LMDS cho phép triển
khai các dịch vụ tốc độ cao như thoại, video, Internet,…

4


Hệ thống LMDS có tốc độ rất cao, hiệu suất điều chế của nó có thể đạt
tới 5bit/Hz/s. LMDS chỉ thích hợp với các mạng trục, các tổ chức doanh
nghiệp có nhu cầu về tốc độ lớn. LMDS khơng thích hợp với các khách hàng
riêng lẻ, các hộ gia đình.
WiFi: Thực ra là công nghệ hướng tới các mạng LAN khơng dây nhưng nó
vẫn có thể dùng để triển khai cho các mạng rộng hơn như MAN. Nhưng
chính vì nó không được thiết kế cho MAN nên việc triển khai nó cho mạng
MAN gặp rất nhiều vấn đề như:
- Thứ nhất, dải tần làm việc của 802.11 là dải tần miễn phí, nhiễu rất lớn.
Do đó nó hồn tồn khơng thích hợp với việc triển khai các dịch vụ cơng
cộng cỡ lớn.
- Thứ hai, 802.11 được thiết kế cho các mạng ít th bao, kênh truyền của
nó cố định kích thước khoảng 20 MHz, rất kém linh hoạt.
- Thứ ba, 802.11 chưa cung cấp cơ chế QoS, một vấn đề vô cùng quan
trọng đối với các hệ thống mạng đa dịch vụ.

- Thứ tư, mặc dù nếu ta truyền trong mơi trường tốt, ít nhiễu, LOS, sử
dụng các Anten định hướng với cơng suất đủ lớn thì WiFi có thể đạt tới
khoảng cách vài km nhưng phạm vi bao phủ như thế này cũng rất hẹp.
Như vậy, chỉ có sự ra đời của WiMAX mới giải quyết được tất cả các
loại dịch vụ cơ bản trên của mạng MAN. Nó có thể sử dụng các trạm gốc để
thiết lập tuyến trục, phân phối dịch vụ tới khách hàng riêng lẻ hoặc thiết lập
nên các vùng truy nhập dịch vụ cho các doanh nghiệp hoặc địa điểm công
cộng.
Hiện nay, WiMAX được xem là một giải pháp tồn diện của cơng nghệ
khơng dây băng rộng trong đô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi
hẻo lánh… WiMAX cho phép truyền khơng dây các loại dữ liệu, hình ảnh,
âm thanh nhanh hơn cả xDSL hay dùng cáp, và tất nhiên là nhanh hơn nhiều

5


lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b mà không
yêu cầu điều kiện truyền thẳng.
Phạm vi bao phủ của WiMAX có thể lên tới vài chục km với tốc độ lớn
nhất có thể lên tới 100 Mbps đối với di động và 1 Gbps đối với cố định . Băng
thông của WiMAX đủ để cung cấp đồng thời hàng trăm thuê bao T1 hoặc
hàng trăm thuê bao xDSL.
Hiện nay, việc triển khai các mạng cáp, xDSL có thể rất tốn thời gian
và tốn kém về kinh tế, và kết quả là một số lượng lớn khách hàng có nhu cầu
mà khơng được cung cấp dịch vụ. WiMAX khắc phục hạn chế này, nó có khả
năng cung cấp dịch vụ nhanh chóng và dễ dàng, ngay cả ở những nơi như
nông thôn, rừng núi,… những nơi vô cùng khó khăn và bất lợi đối với việc
triển khai các hệ thống có dây. Trên thị trường hiện nay, WiMAX đã được
tích hợp vào các thiết bị khơng cố định như máy xách tay, PDA, USB….
1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16



Chuẩn IEEE 802.16 – 2001:
Những đặc tính ban đầu của chuẩn IEEE 802.16 đã định nghĩa lớp

MAC (Media Access Control) và PHY (Physical) có khả năng cung cấp truy
nhập băng rộng không dây cố định ( Fixed Wireless Access) theo mơ hình
điểm - điểm và điểm - đa điểm. Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra
một tập các giao diện không gian (air interfaces) dựa trên một giao thức MAC
thông thường nhưng với các đặc tính lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và
những điều chỉnh phổ có liên quan. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện
không gian cho những tần số trong băng tần 10 – 66 GHz. Với phương pháp
điều chế đơn sóng mang 802.16 hỗ trợ cả hai phương pháp song công phân
chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) hay phân chia theo tần số
FDD (Frequency Division Duplexing). Trong khi chuẩn IEEE 802.11 dùng
phương pháp truy nhập nhạy cảm sóng mang có cơ chế tránh xung đột

6


(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - CSMA/CA) để
cho phép khi nào một node trên mạng được phép truyền dữ liệu, thì lớp MAC
của IEEE 802.16-2001 sử dụng một mơ hình hồn tồn khác để điều khiển sự
truyền dẫn trên mạng. Trong thời gian truyền dẫn, phương pháp điều chế
được ấn định bởi BS và chia sẻ với tất cả các node trong mạng trong thông tin
broadcast cho cả đường lên và đường xuống. Bằng việc lập lịch cho việc
truyền dẫn, vấn đề các node ảo đã được loại trừ. Thuê bao chỉ cần nghe tín
hiệu từ trạm gốc (BS-Base Station) và sau đó là từ các node trong phạm vi
phủ sóng của BS đó. Ngồi ra, thuật tốn lập lịch có thể thay đổi khi xảy ra
quá tải hoặc khi số thuê bao tăng lên quá nhiều. Trạm thuê bao (SSSubscriber Stations ) có thể thương lượng về độ rộng dải tần được cấp phát

trong một burst - to - burst cơ bản, cung cấp một lịch truy nhập mềm dẻo. Các
phương pháp điều chế được định nghĩa bao gồm: PSK, 16-QAM và 64-QAM.
Chúng có thể thay đổi từ khung này tới khung khác, hay từ SS này tới SS
khác tuỳ thuộc vào tình trạng của kết nối. Khả năng thay đổi phương pháp
điều chế và phương pháp sửa lỗi FEC (Forward Error Correction) theo các
điều kiện truyền dẫn hiện thời cho phép mạng thích ứng nhanh chóng với điều
kiện thời tiết, như fading do mưa. Các tham số truyền dẫn ban đầu được thoả
thuận thông qua một quá trình tương tác gọi là Initial Ranging. Trong quá
trình này thì năng lượng, phương pháp điều chế và timing feedback được
cung cấp bởi BS được kiểm soát và quản lý theo điều kiện hiện thời của kết
nối. Phương pháp song công của kênh đường lên và đường xuống được sử
dụng hoàn toàn theo một trong hai phương pháp TDD (time division
duplexing) hoặc FDD (frequency division duplexing).
Quan trọng hơn nữa, chuẩn IEEE 802.16-2001 kết hợp chặt chẽ các đặc
tính có khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau xuống lớp vật lý.
Khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ được xây dựng dựa theo khái niệm về lưu
lượng dịch vụ (service flows), nó được xác định một cách vừa đủ bởi một ID
7


lưu lượng dịch vụ. Những lưu lượng dịch vụ này được mô tả bởi các tham số
QoS của chúng như thời gian trễ tối đa và lượng jitter cho phép. Lưu lượng
dịch vụ là đơn hướng và nó có thể được tạo ra bởi BS hoặc SS. Đóng vai trị
cốt lõi trong việc bảo mật của chuẩn IEEE 802.16 là lớp con riêng biệt
(privacy sublayer). Mục đích chính của lớp con riêng biệt là cung cấp sự bảo
mật trên các kết nối khơng dây của mạng. Nó được thực hiện thơng qua việc
mật mã hố dữ liệu gửi giữa BS và SS. Để ngăn cản việc trộm dịch vụ, SS có
thể được nhận thực qua chứng chỉ số X.509. Chứng chỉ này bao gồm khố
cơng khai của SS và địa chỉ MAC.


Chuẩn IEEE 802.16a:
Năm 2003, IEEE đưa ra chuẩn không dây 802.16a để cung cấp khả

năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối và điểm kết nối bằng băng tần
2-11 GHz với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường
hợp kết nối điểm điểm và 7-10 km trong trường hợp kết nối từ điểm đa điểm.
Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70 Mbps. Trong khi, với dải tần 10-66Ghz
chuẩn 802.16 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng thì với dải tần 2-11Ghz, chuẩn
802.16a cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng,
tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa.
Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thơng có các giải pháp như cung cấp băng
thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ
gia đình mà cơng nghệ th bao số hay mạng cáp khơng tiếp cận được.
IEEE 802.16a bao gồm cả đặc tính lớp PHY và cải tiến lớp MAC cho
khả năng truyền dẫn đa đường và giảm tối đa nhiễu. Các đặc tính được thêm
vào cho phép sử dụng kỹ thuật quản lý năng lượng cao cấp hơn, và dãy anten
thích ứng. Phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
cung cấp thêm một sự lựa chọn cho phương pháp điều chế đơn sóng mang.
Để cung cấp một kỹ thuật giảm thiểu can nhiễu trong các mạng không dây

8


hiện nay, IEEE 802.16a cũng định nghĩa thêm phương pháp điều chế đa truy
nhập phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division
Multiple Access – OFDMA – Modulation) trong phạm vi dải tần 2 – 11 GHz .
Vấn đề bảo mật cũng được cải tiến, với rất nhiều đặc trưng lớp con riêng biệt
được đưa thêm vào. Các đặc tính riêng biệt được sử dụng để nhận thực tác
nhân gửi (sender) của một bản tin MAC nào đó.

IEEE 802.16a cũng đưa thêm các tuỳ chọn hỗ trợ cho mạng Mesh, ở
những nơi mà lưu lượng có thể được định tuyến từ SS tới SS. Đây là sự thay
đổi từ chế độ point-multi-point, khi mà lưu lượng chỉ được phép truyền giữa
BS và SS. Sự bổ sung những đặc tính lớp MAC thích hợp cho phép việc lập
lịch truyền dẫn giữa các SS của mạng Mesh mà không cần phải có sự kiểm
sốt của BS.


Chuẩn IEEE 802.16c – 2002:
Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002. Chuẩn được nâng

cấp lên từ chuẩn 802.16 – 2001. Bản cập nhật đã sửa một số lỗi và sự mâu
thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban đầu và thêm vào một số profiles hệ thống chi
tiết cho dải tần 10 – 66 GHz.


Chuẩn IEEE 802.16d – 2004:
Chuẩn IEEE 802.16-2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24/07/2004

và được công bố rộng rãi vào tháng 9/2004. IEEE 802.16 – 2004 thường được
gọi với tên 802.16-REVd. Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp
các chuẩn 802.16-2001, 802.16a, 802.16c. Chuẩn mới này đã được phát triển
thành một tập các đặc tính hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ
toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16
ban đầu. Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở
các môi trường khác nhau:

9

- Băng tần 10 – 66 Ghz: với băng tần này thường được dung trong mơi
trường tầm nhìn thẳng (LOS). Độ rộng kênh được khuyến nghị cho dải
tần này là 25 đến 28 MHz. Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong
những ứng dụng mơ hình điểm – đa điểm.
- Băng tần 2 – 11 GHz: với băng tần này thường được dùng trong mơi
trường khơng trong tầm nhìn thẳng (NLOS). Nó cung cấp khả năng hỗ
trợ tốt trong những ứng dụng mơ hình Mesh.
 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005:
Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE phát triển dựa trên việc
nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm cho các dịch vụ di động.
Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập với khả năng co giãn SOFDMA
(Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access), kỹ thuật điều
chế đa sóng mang sử dụng kênh phụ. Băng tần được khuyến cáo dành cho
chuẩn là < 6Ghz để phục vụ cho các ứng dụng truyền trong môi trường
không trong tầm nhìn thẳng (NLOS) và ứng dụng di động.
Tuy tốc độ và khả năng bao phủ không được lớn như chuẩn cố định,
nhưng nó cũng có thể đạt tới tốc độ 75 Mbps, với khả năng bao phủ tới 30
km. Một đặc điểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trong môi trường
di động với tốc độ lý thuyết có thể lên tới đến 120 km/h. Với những đặc điểm
và sự phát triển của các chuẩn 802.16 nói trên, ta có thể nhận thấy được sự
khác nhau về cơ bản, cũng như nhận biết được những tính kế thừa của các
chuẩn này.
Bảng 1.1 So sánh các chuẩn IEEE 802.16
Đặc điểm

802.16

Dải tần số

10-66 GHz

Mơi

Tầm

trường

thẳng

802.16-2004
< 11 GHz

nhìn Khơng

802.16e
< 6GHz

802.16m
< 6GHz

trong Khơng trong Khơng trong

tầm nhìn thẳng tầm

10

nhìn tầm

nhìn