Vấn đề bảo mật mạng wimax và ứng dụng

Đ
..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ HIẾU

VẤN ĐỀ BẢO MẬT MẠNG WIMAX
VÀ NG DNG

Luận văn thạc Sỹ KHOA HC MY TNH

THI NGUYấN - 2012

Thái Nguyên - 2012


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

NGUYỄN THỊ HIẾU

VẤN ĐỀ BẢO MẬT MẠNG WIMAX
VÀ NG DNG
Chuyên ngành: Khoa hc mỏy tớnh
MÃ số: 604801

Luận văn th¹c Sü KHOA HỌC MÁY TÍNH

Ng-êi h-íng dÉn khoa häc: PGS.TS.LÊ BÁ DŨNG

Mẫu 4. Trang bìa 1 tóm tắt luận văn thạc sĩ (khổ 140 x 200 mm)

THÁI NGUYÊN - 2012


i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới
PGS.TS.Lê Bá Dũng, người thầy đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình cho tơi trong
suốt q trình nghiên cứu khoa học và thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo, cán bộ thuộc phịng Khoa học và
Đào tạo, trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên, đã tạo
điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè –
những người ln ở bên tơi những lúc khó khăn nhất, ln động viên tơi, khuyến
khích tơi trong cuộc sống và trong cơng việc.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, Ngày … tháng

năm 2012

Học viên

Nguyễn Thị Hiếu


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan những kiến thức trình bày trong luận văn này là do tơi tìm
hiểu, nghiên cứu và trình bày lại theo cách hiểu của tơi. Trong q trình làm luận
văn tơi có tham khảo các tài liệu có liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo
đó. Phần lớn những kiến thức tơi trình bày trong luận văn này chưa được trình bày
hồn chỉnh trong bất cứ tài liệu nào.
Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2012
Học viên

Nguyễn Thị Hiếu


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................v
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ......................................................................................ix
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
Chương I GIỚI THIỆU MẠNG WIMAX ..................................................................2
1.1 KHÁI NIỆM .....................................................................................................2
1.1.1 Fixed Wimax (Wimax cố định) .................................................................5
1.1.2 Mobile Wimax (Wimax di động) ..............................................................6
1.3.1 Một số chuẩn Wimax đầu tiên .................................................................12
1.3.2 Một số chuẩn 802.16 khác .......................................................................15
1.5.1 Lớp con hội tụ MAC ...............................................................................21

1.5.2 Lớp con phần chung MAC. .....................................................................22
1.6.1 Mạng đường trục .....................................................................................26
1.6.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệp ...................................................26
1.6.3 Băng rộng theo nhu cầu ...........................................................................27
1.6.5 Roaming dịch vụ......................................................................................27
Chương II KIẾN TRÚC BẢO MẬT TRONG MẠNG WIMAX .........................29
2. 1 Kiến trúc bảo mật ......................................................................................29
2.1.1 Tập hợp bảo mật ......................................................................................30
2.1.2 Giao thức quản lí khóa PKM ...................................................................31
2.2 Quy trình bảo mật .......................................................................................33
2.2.1 Xác thực ...................................................................................................33
2.2. 2 Trao đổi khóa dữ liệu .............................................................................35
2.2.3 Mã hóa dữ liệu .........................................................................................35
2.3 Hạn chế của kiến trúc bảo mật ...................................................................35
Chương III MÃ HÓA BẢO MẬT TRONG MẠNG WIMAX ............................38
3.3.1 Input và Output ........................................................................................41


iv

3.3.2 Đơn vị Byte .............................................................................................41
3.3.3 Trạng thái .................................................................................................42
3.3.4 Biểu diễn của trạng thái ...........................................................................43
3.4.1 Thuật tốn mã hóa ...................................................................................44
3.4.2 Thuật tốn sinh khóa ...............................................................................50
3.4.3 Thuật tốn giải mã ...................................................................................51
3.4.4 Thuật toán giải mã tương đương .............................................................54
Chương IV THỬ NGHIỆM HỆ MÃ HĨA AES TRÊN MẠNG WIMAX .........56
4.1.1 Cấu hình hệ thống ....................................................................................56
4.1.2 Chức năng chính ......................................................................................56

4.2.1 Giao diện chương trình ............................................................................57
4.2.2 Quy trình mã hóa .....................................................................................58
4.2.3 Quy trình giải mã .....................................................................................59
KẾT LUẬN ......................................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................67


v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AAS

Adaptive Atenna System

Hệ thống anten thích ứng

ADSL

Asymmetric Digitalsubcribe Line

Mạng số truy cập internet băng
rộng

AES

Advanced Modulation and Coding

Mã hóa và điều chế thích nghi

AK

Authentication Key

Khóa cấp phép

Automatic Retransmission

Yêu cầu truyền lại tự động

ARQ

Request
ATM

Asynchronous transfer mode

Chế độ truyền dị bộ

BE

Best Effort

Cố gắng tối đa

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

BR

Bandwidth Request

Yêu cầu băng thông

BS

Base station

Trạm gốc

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

BWA

Broadband Wireless Access

Truy cập không dây băng rộng

CID

Connection Identifier

Bộ nhận dạng kết nối

CPE

Customer Premise Equipment

Thiết bị tại nhà khách hàng

CRC

Cyclic redundancy check

Kiểm tra dư thừa vòng

CS

Convergence sublayer

Lớp con hội tụ

DES

Data encryption standard

Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu

DHCP

Dynamic Host Configuration

Giao thức cấu hình máy chủ động

DSL

Digital Subscriber Line

Đường dây thuê bao số

DL

Downlink

Đường xuống

EAP

Extensible Authentication Protocol Giao thức nhận thực mở rộng


vi

EC

Encryption Control

Điều khiển mật mã hóa

FDD

Frequency Division Duplexing

Song cơng theo tần số

FDMA

Frequency division multiple
access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

GPC

Grant Per Connection

Cấp phát trên mỗi trạm gốc

GPSS

Grant Per Subscriber Station

Cấp phát trên mỗi trạm thuê bao

HCS

Header Check Sequence

Thứ tự kiểm tra tiêu đề

HMAC

Hash – based message
authentication code

Mã nhận thực bản tin hash

HT

Header Type

Loại tiêu đề

HTTP

Hyper Text Transfer Protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

Institute for Electrical and

Viện kỹ thuật điện và điện tử (Mỹ)

IEEE

Electronic Engineers
IP

Internet protocal

Giao thức Internet

KEK

Key encryption key

Khoá mật mã khố

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LOS

Line of sight

Tầm nhìn thẳng

MAN

Metropolitan area network

Mạng khu vực đô thị

MAP

Media Access Protocol

Giao thức truy cập môi trường

MAC

Medium Access ControlLayer

Lớp điều khiển truy cập môi
trường

MIB

Management Information Base

Cơ sở thông tin quản lý

MIMO

Multi input Multi output

Đa đường vào đa đường ra

MS

Mobile station

Thiết bị di động

NLOS

Non Light of Sight

Truyền sóng khơng trực xạ

NrtPS

Non-Real-Time Polling Service

Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực


vii

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Đa truy nhập phân chia theo tần
số trực giao

OFDMA

Orthogonal frequency division
multiple access

Đa truy nhập chia tần số trực giao

OSI

Open system inter – connect

Kết nối liên hệ thống mở

PDU

Protocol data unit

Đơn vị dữ liệu thủ tục

PHS

Packet header suppression

Nén tiếp đầu gói

PHY

Physical Layer

Lớp vật lý

PKM

Privacy key management

Quản lý khố riêng

Public Switched Telephone
Network

Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng

PTP

Point to Point

Điểm-điểm

QAM

Quadrature amplitude modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature phase shift keying

Khóa dịch pha cầu phương

RF

Radio frequency

Tần số vô tuyến

RSA

Rivest, Shamir, Adleman

Tên của 3 nhà phát minh

PSTN

RTG

Receive/Transmit Transition Gap

Khoảng trống chuyển tiếp
Thu/phát

RtPS

Real-time Polling Service

Dịch vụ thăm dò thời gian thực

SA

Security association

Tập hợp bảo mật

SAID

Security association identifier

Bộ nhận dạng tập hợp bảo mật

SAP

Service access point

Điểm truy nhập dịch vụ

SDU

Service data unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SFID

Service Flow Identifier

Bộ nhận dạng luồng dịch vụ

SLA

Service Level Agreement

Thoả thuận mức dịch vụ


viii

SNMP

S-OFDMA

Simple Network Management
Protocol
Scalable Orthogonal Frequency
Division Multiplex Access

Thủ tục quản lý mạng đơn giản
Truy cập ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao tỉ lệ

SS

Subscriber Station

Trạm thuê bao

TDD

Time Division Duplexing

Song công theo thời gian

TDM

Time Division Multiplexing

Dồn kênh phân chia theo thời gian

TDMA

Time division multiple access

Đa truy nhập phân chia thời gian

TEK

Traffic encryption key

Khoá mật mã lưu lượng

TFTP

Trivial File Transfer Protocol

Giao thức truyền tập tin tiết kiệm
tài nguyên

UGS

Unsolicited Grant Service

Dịch vụ cấp phát tự nguyện

UL

Uplink

Hướng lên

VLAN

Virtual local area netword

Mạng LAN ảo

VoIP

Voice over Internet Protocol

Giao thức thoại qua IP

WIFI

Wireless Fidelity

băng rộng di động

WIMAX

Worldwide Interoperability for
Micoware Access

Khả năng tương tác toàn cầu đối

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng LAN không dây

XOR

Exclusive-OR

Hàm cộng modul

với truy nhập vi ba


ix

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1

Các kiểu truy nhập trong Wimax

12

Bảng 1.2

Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16

18

Bảng 3.1

Bảng thế S-box

47


x

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mơ hình mạng Wimax

3

Hình 1.2 Mơ hình truyền thơng của Wimax

4

Hình 1.3 Mơ hình mạng Wimax cố định

5

Hình1.4 Mơ hình ứng dụng Wimax di động

6

Hình 1.5 Mơ hình phân lớp trong hệ thống Wimax so sánh với OSI

8

Hình 1.6 Chuẩn khơng dây tồn cầu

11

Hình 1.7 Sự phát triển của chuẩn 802.

12

Hình 1.8 OFDM với 9 sóng mang con

13

Hình 1.9 Cấu hình di động chung của 802.16e

14

Hình 1.10 Kiến trúc mạng-MMR thơng qua Wimax thơng thường

17

Hình. 1.11 Mơ hình lớp PHY và MAC

31

Hình 1.12 Mơ hình lớp con bảo mật

24

Hình 1.13 Giao thức chứng thực

25

Hình 1.14 Mơ hình triển khai mạng WIMAX

27

Hình 2.1. Mơ hình kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16

30

Hình 2.2. Quy trình bảo mật

32

Hình 2.3 Quá trình xác thực SS với BS

33

Hình 2.4 Q trình trao đổi khóa dữ liệu

34

Hình 2.5 Định dạng payload trước và sau khi mã hóa

36

Hình 3.1 Các trạng thái của AES.

42

Hình 3.2 Sơ đồ thuật tốn mã hóa và giải mã.

45

Hình 3.3 Hàm SubBytes()

46

Hình 3.4 Hàm ShiftRows()

48

Hình 3.5 Hàm MixColumns()

49

Hình 3.6 Hàm AddRoundKey()

50

Hình 3.7 Hàm InvShiftRows()

52


1

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với xu thế phát triển của hệ thống mạng máy tính, sự xuất hiện
Internet băng thơng rộng đã giúp cho việc trao đổi thông tin trở nên nhanh chóng

,

dễ dàng. Với địa hình đất nước ta ¾ là đồi núi, việc chuyển thông tin đi và đến

trong mơi trường như vậy gặp rất nhiều khó khăn. Wimax ra đời là mục tiêu và
cũng là xu thế phát triển của đất nước ta từ 2,5g đến 3G rồi đến 4G. Các giao dịch
với các vùng sâu và xa, các vùng đồi núi sẽ chủ yếu sử dụng các mạng khơng dây
băng rộng [V3],[V4].
Vì là mạng máy tính, rất nhiều người sử dụng cho các loại hình dịch vụ khác
nhau, nên sẽ nẩy sinh nhiều vấn đề cần phải quan tâm . Những tin tức quan trọng
nằm ở kho dữ liệu hay đang trên đư ờng truyền có thể bị trộm cắp , có thể bị làm sai
lệch, có thể bị giả mạo. Điều đó có thể ảnh hưởng tới cá nhân, các tổ chức, các công
ty hay cả một quốc gia .
Để giải quyết tì nh hì nh trên , Bảo mật thông tin đã đư ợc đặt ra cấp thiết .
Wimax là công nghệ sử dụng truyền dẫn trong môi trường vô tuyến với đường
truyền không dây băng thông rộng sẽ tạo ra nhiều cơ hội cho các cuộc tấn công như
gây nhiễu đường truyền, bắt các gói tin, giả mạo truy nhập.. vì vậy khi đã triển khai
mạng máy tính băng thơng rộng thì điều cần thiết phải quan tâm đến ngay từ ban
đầu là bảo mật và an toàn dữ liệu. Do đặc thù của mạng Wimax cho nên trong cấu
trúc của hệ thống có cả một phân tầng bảo mật, xong điều đó là chưa đủ cho người
sử dụng và nhất là sử dụng để truyền các thơng tin mật [V4].
Chính vì lẽ đó nghiên cứu các chính sách bảo mật, các phương pháp mã hố
dữ liệu sử dụng trong mạng băng thơng rộng là một điều cần thiết và cấp bách trước
khi triển khai mạng băng thông rộng ở nước ta. Nhận thấy tính thiết thực của vấn đề
này và được sự gợi ý của giảng viên hướng dẫn, tôi đã chọn đề tài “ Vấn đề bảo
mật mạng Wimax và ứng dụng” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình.


2

Chương I
GIỚI THIỆU MẠNG WIMAX
WiMAX là một công nghệ cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến thiết
bị đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và đường dây thuê bao số DSL.

Wimax cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có
thể di động nhưng cố định trong lúc kết nối), portable (người sử dụng có thể di
chuyển với tốc độ chậm) và cuối cùng là di động mà không cần ở trong tầm nhìn
thẳng LOS (Line-Of-Sight) trực tiếp với trạm gốc BS (Base Station). Wimax khắc
phục được các nhược điểm của các phương pháp truy nhập hiện tại, cung cấp một
phương tiện truy nhập Internet khơng dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và
WiFi. Hệ thống Wimax có khả năng cung cấp đường truyền có tốc độ lên đến
70Mbit/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50Km [V9].
Mơ hình phủ sóng của mạng Wimax tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh
đó, Wimax cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi máy
tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten Wimax gần nhất.
1.1 KHÁI NIỆM
Wimax (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là hệ thống truy
nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16. Tiêu
chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn
IEEE 802, và Diễn đàn Wimax. Tổ công tác IEEE 802.16 là người chế định ra tiêu
chuẩn; còn Diễn đàn Wimax là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16.
Wimax là một công nghệ được tạo ra bởi sự ảnh hưởng của các thành phần truyền
tin và sự trang bị của các cơng ty, nó đã thúc đẩy và chứng nhận tính tương thích
của thiết bị truy nhập băng rộng khơng dây, nó tương thích với chuẩn IEEE 802.16
và chuẩn ETSI-HIPERMAN. Wimax hoạt động gần giống với Wi-Fi nhưng được
cải thiện khá nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mbit/s với phạm
vi hoạt động 2 – 10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo lánh
[V9].


3

Hình 1.1 Mơ hình mạng Wimax
Thực tế Wimax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách

lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống Wimax gồm
2 phần [V5][V6]:
+ Trạm phát: Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với cơng
suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng lớn.
+ Trạm thu: Có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được
thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn
dùng.


4

Hình 1.2 Mơ hình truyền thơng của Wimax
Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường
truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm
trung chuyển bằng đường truyền thẳng (line of sight), và chính vì vậy Wimax có thể
phủ sóng đến những vùng rất xa.
Các anten thu/phát có thể trao đổi thơng tin với nhau qua các tia sóng truyền
thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố
định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có
thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này
tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn
hơn. Đối với trường hợp tia phản xạ, Wimax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz,
tương tự như ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể
phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích.
Wimax là một chuẩn khơng dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả
năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không
dây di động. Hai phiên bản của Wimax được đưa ra như sau:


5

1.1.1 Fixed Wimax (Wimax cố định)
Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, được thiết kế cho loại truy nhập cố
định và lưu động. Trong phiên bản này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong
cả mơi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và khơng nhìn thẳng – NLOS (Nonline-of-sight). Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tại đã được cấp chứng chỉ và
thương mại hóa.
Mơ hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004. Tiêu
chuẩn này gọi là “khơng dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten đặt
cố định tại nhà các thuê bao. Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương tự như
chảo thơng tin vệ tinh.

Hình 2.3 Mơ hình mạng Wimax cố định
Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên
tín hiệu thu khơng khỏe bằng anten ngồi trời. Băng tần công tác (theo quy định và
phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz. Độ rộng băng tần là
3,5MHz. Trong mạng cố định, Wimax thực hiện cách tiếp nối không dây đến các
modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền
phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang). Wimax cố định có


6

thể phục vụ cho các loại người dùng (user) như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ
lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của
mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS. Về cách phân bố theo địa
lý, các user thì có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu
vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó.
Sơ đồ kết cấu mạng Wimax được đưa ra trên hình 1.3. Trong mơ hình này
bộ phận vơ tuyến gồm các trạm gốc Wimax BS (làm việc với anten đặt trên tháp

cao) và các trạm phụ SS (SubStation). Các trạm Wimax BS nối với mạng đô thị
MAN hoặc mạng PSTN
1.1.2 Mobile Wimax (Wimax di động)
Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e, được thiết kế cho loại truy cập xách tay
và di động. Về cơ bản, tiêu chuẩn 802.16e được phát triển trên cơ sở sửa đổi tiêu
chuẩn IEEE 802.16-2004 để tối ưu cho các kênh vô tuyến di động, cung cấp khả
năng chuyển vùng – handoff và chuyển mạng – roaming. Tiêu chuẩn này sử dụng
phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal
Frequency Division Multiple Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ
thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn
đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh hoạt
trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng
với các loại địa hình đa dạng [V1].

Hình1.4 Mơ hình ứng dụng Wimax di động


7

Mơ hình Wimax di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.16e
được thông qua trong năm 2005. Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn
802.16-2004 hướng tới các người dùng cá nhân di động, làm việc trong băng tần
thấp hơn 6GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có
thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng.
1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG WIMAX
Wimax đã được tiêu chuẩn hoá theo chuẩn IEEE 802.16. Hệ thống Wimax là hệ
thống đa truy cập khơng dây sử dụng cơng nghệ OFDMA có các đặc điểm sau:
[V5][V6]
+ Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể từ 30Km tới 50Km.
+ Tốc độ truyền có thể thay đổi, có thể lên tới 70Mbit/s.

+ Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng
LOS và đường truyền bị che khuất NLOS.
+ Dải tần làm việc từ 2-11GHz và từ 10-66GHz.
+ Độ rộng băng tần của Wimax từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều
băng con 1,75MHz. Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ
OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh
một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần.
+ Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền
dẫn của hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink). Trong cơ chế TDD,
khung đường xuống và đường lên chia sẻ một tần số nhưng tách biệt về mặt thời
gian. Trong FDD, truyền tải các khung đường xuống và đường lên diễn ra cùng
một thời điểm, nhưng tại các tần số khác nhau.
+ Về cấu trúc phân lớp, hệ thống Wimax được phân chia thành 4 lớp : Lớp con
hội tụ (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp
trên, lớp điều khiển đa truy nhập (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission)
và lớp vật lý (Physical). Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mơ hình
OSI và được tiêu chuẩn hố để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như
mô tả ở hình dưới đây[V6].


8

Hình 1.5 Mơ hình phân lớp trong hệ thống Wimax so sánh với OSI
Wimax đã được thiết kế để chú trọng vào những thách thức gắn với các loại
triển khai truy nhập có dây truyền thống như:
+ Bachhaul: Sử dụng các anten điểm – điểm để nối nhiều hotspot với nhau và
đến các trạm gốc qua những khoảng cách dài (đường kết nối giữa điểm truy nhập
WLAN và mạng băng rộng cố định).
+ Last mile: Sử dụng các anten điểm – đa điểm để nối các thuê bao thuộc nhà
riêng hoặc doanh nghiệp tới trạm gốc.

Wimax đã được phát triển với nhiều mục tiêu quan tâm như:
+ Cấu trúc mềm dẻo: Wimax hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa
điểm, cơng nghệ mesh và phủ sóng khắp mọi nơi. MAC (điều khiển truy nhập phương
tiện truyền dẫn) hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời
gian cho mỗi SS (trạm thuê bao). Nếu có duy nhất một SS trong mạng, BS (trạm gốc)
sẽ liên lạc với SS trên cơ sở điểm – điểm. Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có
thể sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn.
+ Chất lƣợng dịch vụ QoS: Wimax có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu
lượng sẽ được mang. Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện
(UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vịng khơng thời gian
thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE).iMX
+ Triển khai nhanh: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, Wimax u
cầu ít hoặc khơng có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngồi. Ví dụ, đào hố để tạo
rãnh các đường cáp thì khơng u cầu. Các nhà vận hành nếu đã có được các đăng
ký để sử dụng một trong các dải tần đăng ký, hoặc dự kiến sử dụng một trong các


9

dải tần khơng đăng ký, khơng cần đệ trình các ứng dụng hơn nữa cho chính phủ.
+ Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào sự
thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối
cùng. Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau
tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng
SS. Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô,
nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong
những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát
triển băng rộng rất thách thức.
+ Tính tƣơng thích: Wimax dựa vào quốc tế, các chuẩn khơng có tính chất rõ
rệt nhà cung cấp, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử

dụng SS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác
nhau. Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì nó có thể
chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị, và nó sẽ tiếp tục đưa chi phí thiết bị
xuống khi có một sự chấp nhận đa số.
+ Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng di
động. Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) và
OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị và các dịch
vụ trong một môi trường di động. Những cải tiến này, bao gồm OFDMA mở rộng
được, MIMO (nhiều đầu ra nhiều đầu vào), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và
hand – off, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h. Mạng
Wimax di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet khơng dây băng
thông rộng tại bất cứ trong thành phố nào.
+ Lợi nhuận: Wimax dựa vào một chuẩn quốc tế mở. Sự chấp nhận đa số của
chuẩn, và sử dụng chi phí thấp, các chip được sản xuất hàng loạt, sẽ đưa chi phí
giảm đột ngột, và giá cạnh tranh xảy ra sẽ cung cấp sự tiết kiệm chi phí đáng kể cho
các nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng. Môi trường không dây được
sử dụng bởi Wimax cho phép các nhà cung cấp dịch vụ phá vỡ những chi phí gắn
với triển khai có dây, như thời gian và công sức.


10

+ Hoạt động NLOS: Khả năng hoạt động của mạng Wimax mà khơng địi hỏi
tầm nhìn thắng giữa BS và SS. Khả năng này của nó giúp các sản phẩm Wimax
phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS.
+ Phủ sóng rộng hơn: Wimax hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK,
QPSK, 16QAM, 64QAM. Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao và hoạt
động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK). Các hệ thống Wimax có thể
phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa BS và SS không bị cản trở.
Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng (hotspot) đến phạm vi

rộng (hotzone) – cùng cơng nghệ thì có thể sử dụng ở nhà và di chuyển. Ở những
điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ
thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS)
trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngồi (LOS).
+ Dung lƣợng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc
với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất.
+ Tính mở rộng: Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô
tuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng
dung lượng mạng. Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất
phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng
phổ hiệu quả. Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng
nghìn người sử dụng trong một kênh RF. Các nhà vận hành có thể cấp phát lại phổ
qua hình quạt như số thuê bao gia tăng. Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo
thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những
quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế
thay đổi khác nhau.
+ Bảo mật: Bằng cách mật hóa các liên kết vơ tuyến giữa BS và SS, sử dụng
chuẩn mật hóa tiên tiến AES ở chế độ CCM, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao
đổi qua giao diện vô tuyến. Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh
chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ.


11

1.3 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN TRONG WIMAX
Kĩ thuật IEEE 802.16 BWA, với đích hướng tới truy nhập vi ba tương thích
tồn cầu để cung cấp một giải pháp BWA chuẩn. Ủy ban chuẩn IEEE đã tiến hành
nghiên cứu về nhóm chuẩn 802.16 từ năm 1999, chuẩn bị cho việc phát triển các
mạng MAN khơng dây tồn cầu, thường được gọi là WirelessMAN. Nhóm chuẩn
IEEE 802.16, là một khối chuẩn của Ủy ban các chuẩn IEEE 802 LAN/MAN, chịu

trách nhiệm về các đặc điểm kĩ thuật của nhóm chuẩn 802.16. Đặc biệt, IEEE
802.16 còn tiếp tục đưa ra các giải pháp và mở rộng dung lượng để hỗ trợ tài
nguyên và phát triển Wimax. Hệ thống IEEE 802.16e được gọi là Mobile Wimax,
đây là chuẩn mà có thêm các người sử dụng di động vào trong hệ thống IEEE
802.16 ban đầu [E15].

WAN

IEEE 802.20
IEEE 802.16
Wireless MAN
IEEE 802.11

MAN
LAN

3GPP EDGE
(GSM)
ETSI HIPERMAN
& HIPERACCESS
ETSI
HIPERLAN

PAN
IEEE 802.15

ETSI
HIPERPAN

Hình 1.6 Chuẩn khơng dây tồn cầu

Sau đây là một vài chuẩn IEEE 802.16 cụ thể:
 Chuẩn 802.16d-2004
 Chuẩn 802.16e-2005
 Một số chuẩn khác:802.16f, 802.16g, 802.16h, 802.16i, 802.16j, 802.16k


12

.
Hình 1.7 Sự phát triển của chuẩn 802.
1.3.1 Một số chuẩn Wimax đầu tiên
Wimax là một công nghệ truy nhập không dây băng rộng mà hỗ trợ truy
nhập cố định, lưu trú, xách tay và di động. Để có thể phù hợp với các kiểu truy nhập
khác nhau, hai phiên bản chuẩn dùng Wimax đã được đưa ra. Phiên bản đầu tiên
IEEE 802.16d-2004 sử dụng OFDM, tối ưu hóa truy nhập cố định và lưu trú. Phiên
bản hai IEEE 802.16e-2005 sử dụng SOFDMA hỗ trợ khả năng xách tay và tính di
động [E10][E16].

Bảng 1.1: Các kiểu truy nhập trong Wimax


13

Chuẩn đầu tiên của Wimax Forum CERTIFIED được áp dụng vào cuối năm
2005 và sẽ là chuẩn cho các dịch vụ băng rộng không dây trên nền IP đầu tiên cho
cả truy nhập cố định và bán cố định cho các ứng dụng PTP và MTP. Hỗ trợ cho tính
di chuyển và di động sẽ đưa ra sau đó trong một chương trình chứng nhận riêng.
Wimax Forum chứng nhận chuẩn đầu tiên hỗ trợ tính di động vào đầu năm 2007,
các mạng đầu tiên sẽ được triển khai ngay trong năm này [E16].
Trong đó, OFDM thêm đặc điểm trực giao vào FDM đa sóng mang. Trực

giao nghĩa là khơng gây ra nhiễu lên nhau. Trong OFDM các sóng mang con được
thiết kế để trực giao. Điều này cho phép các sóng mang con chồng lên nhau và tiết
kiệm băng tần. Do đó, OFDM đạt được cả tốc độ dữ liệu cao và hiệu suất trải phổ
cao. OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng mang con cùng một
lúc. Ở mỗi đơn vị thời gian, tất cả các người dùng có thể truy nhập. Việc ấn định
các sóng mang con cho một người dùng có thể thay đổi ở mỗi đơn vị thời gian.
Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằng
nhau với phổ có sẵn. Số sóng mang con khơng thay đổi dẫn đến khơng gian sóng
mang con thay đổi trong các hệ thống khác nhau. Điều này làm cho việc chuyển
giao giữa các hệ thống gặp khó khăn. Ngồi ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng
và chi phí cao. OFDMA theo tỉ lệ (-SOFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách
giữ cho khơng gian sóng mang con khơng thay đổi. Nói cách khác, số sóng mang
con có thể tăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước. Ví dụ,
nếu một băng tần 5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz
sẽ được chia thành 1024 sóng mang con [V5].

Hình 1.8 OFDM với 9 sóng mang con