..
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
VÀ TRUYỀN THÔNG
NGUYỄN THỊ THANH AN
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ VẤN ĐỀ AN NINH
TRONG MẠNG KHÔNG DÂY WIMAX
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN VĂN TAM
THÁI NGUYÊN - 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu, tìm hiểu và
tham khảo của riêng tôi. Các số liệu trong luận văn là trung thực.
Tác giả
Nguyễn Thị Thanh An
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại trường Đại học Công nghệ Thông tin
và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên. Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
NGUYỄN VĂN TAM. Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc
tới thầy về sự tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả làm luận văn.
Trong quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ Thông tin và
Truyền thông - Đại học Thái Nguyên tác giả thường xuyên nhận được sự
quan tâm giúp đỡ, đóng góp ý kiến của các thầy cô trực tiếp giảng dạy và các
cán bộ, giáo viên trong trường. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
những thầy cô đó.
Xin chân thành cảm ơn anh chị em học viên lớp CAO HỌC K9A đã
giúp đỡ, động viên, khích lệ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Luận văn sẽ không hoàn thành được nếu không có sự quan tâm, động
viên của người thân trong gia đình tác giả. Đây là món quà tinh thần, tác giả
xin gửi tặng gia đình thân yêu của mình với lòng biết ơn sâu sắc.
Tác giả
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
iii
MỤC LỤC
Lời cam đoan ..................................................................................................... i
Lời cảm ơn ....................................................................................................... ii
Mục lục ............................................................................................................ iii
Danh mục chữ viết tắt ....................................................................................... v
Danh mục các hình ........................................................................................ viii
Danh mục các bảng ......................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
Chƣơng 1. KIẾN TRÚC CỦA WIMAX CHUẨN IEEE802.16 ................. 2
1.1. Quá trình phát triển của WIMAX .......................................................... 2
1.1.1. IEEE 802.16-2001 ........................................................................... 3
1.1.2. IEEE 802.16c-2002 .......................................................................... 4
1.1.3. IEEE 802.16a-2003 .......................................................................... 4
1.1.4. Chuẩn IEEE 802.16d-2004 .............................................................. 6
1.1.5. IEEE 802.16e và Beyond ................................................................. 6
1.2. Các giao thức của WIMAX ................................................................... 6
1.2.1. Các lớp giao thức ............................................................................. 6
1.2.2. Lớp vật lý (PHY) ............................................................................. 7
1.2.3. Lớp điều khiển truy nhập (MAC) .................................................. 13
Kết luận .......................................................................................................... 20
Chƣơng 2. PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ AN NINH CHUẨN IEEE802.16 ...... 21
2.1. Đánh giá về an ninh của tiêu chuẩn IEEE 802.16 ............................... 21
2.1.1. Giới thiệu các lỗ hổng của mạng không dây (IEEE 802.11) ......... 21
2.1.2. Phân tích về lỗ hổng của chuẩn IEEE 802.16 ................................ 23
2.2. Các phần tử an ninh của chuẩn IEEE 802.16 ...................................... 35
2.2.1. Các phần tử an ninh chính của chuẩn IEEE 802.16 ...................... 35
2.2.2. Thuật toán mã hóa .......................................................................... 36
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv
2.2.3. Chứng chỉ số X.509 ....................................................................... 38
2.2.4. Kết nối an toàn SA ......................................................................... 39
2.2.5. Mã hóa ........................................................................................... 40
2.2.6. Giao thức trao đổi khóa PKM ........................................................ 41
2.2.7. Quản lý khóa cấp phép (AK) ......................................................... 45
2.2.8. Mã hóa dữ liệu ............................................................................... 46
Kết luận .......................................................................................................... 47
Chƣơng 3. VẤN ĐỀ XÁC THỰC ............................................................... 48
3.1. Xác thực lẫn nhau ................................................................................ 48
3.2. Đề xuất thuật toán cho BS xác thực ..................................................... 49
3.3. Chi tiết thông tin liên lạc với máy chủ xác thực .................................. 51
3.4. Phòng chống tấn công lặp gói tin ......................................................... 52
3.5. Phòng chống tấn công chen giữa và tấn công từ chối dịch vụ ............ 53
3.6. Mô phỏng kết quả ................................................................................ 54
Kết luận .......................................................................................................... 58
Công trình trong tương lai .............................................................................. 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 60
Phụ lục 1: Lập trình mã cho các BS (Base Station) ....................................... 62
Phụ lục 2: Lập trình mã cho các SS (Subscriber Station) .............................. 65
Phụ lục 3: Lập trình mã cho các AS (Authentication Server) ....................... 69
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AK
Authentication Key
AS
Authentication Server
AP
Access Point
ATM
Asynchronous Transfer Mode
AES
Advanced Encryption Standard
BS
Base Station
BSID
Base Stations ID
BWA
Broadband Wireless Access
CPE
Customer Premise Equipment
CS
Convergence Sublayer
CPS
Common Part Sublayer
CIDs
Connection Identifiers
CPE
Customer Premises Equipment
CMAC
Cipher-based Message Authentication Code
CTS
Clear to Send
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
CMAC
Cipher-Based Authentication Code Wide Interoperability for
DLL
Data Link Layer Microwave Access
DL
Downlink
DES
Data Encryption Standard
DREG-CMD Re/RE-register Command
DoS
Denial of Service
EAP
Extensible Authentication Protocol
FDD
Frequency Division Duplexing
FDMA
Frequency Division Multiple Access
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi
HMAC
Hashed Message Authentication Code
ISO/IEC
International Organization for Standardization & the International
Electrotechnical Commission
ITU
International Telecommunications Union
IP
Internet Protocol
IPTV
Internet Protocol Television
IPv4
Internet Protocol version 4
IPv6
Internet Protocol version 6
LLC
Logical Link Control
LOS
Line of Sight
MAC
Media Access Control
MD5
Message-Digest algorithm 5
NLOS
Non Line of Sight
NIST
National Institute of Standards and Technology
OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OSI
Open Systems Interconnection
PKM
Protocol Key Management Protocol
PTP
Point to Point
PMP
Point to Multipoint
PDU
Protocol Data Unit
PHY Layer
Physical Layer
PKM-REQ
PKM Request
PKM-RSP
PKM Response
PHS
Payload Header Suppression
PKM
Privacy Key Management
PKMv1
Key Management Protocol version 1
PKMv2
Key Management Protocol version 2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
vii
QoS
Quality of Service
RES-CMD
Reset Command
RTS
Request to Send
SS
Subscriber Station
SSID
Subscriber Stations ID
SDU
Service Data Unit
SA
Security Association
TEK
Traffic Encryption Key
TDD
Time Division Duplexing
TDMA
Time Division Multiple Access
TDM
Time Division Multiplexing
3-DES
Triple Data Encryption Standard
UL
Uplink
VoIP
Voice over Internet Protocol
WirelessMan Wireless Metropolitan Area Network
WIMAX
World Wide Interoperability for Microwave Access
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Bảy lớp mô hình OSI cho các mạng ................................................ 7
Hình 1.2: Lớp giao thức trong IEEE 802.16 .................................................. 10
Hình 1.3: Chi tiết phân lớp MAC trong IEEE 802.16 ................................... 14
Hình 1.4: Truyền-nhận SDUs và PDUs trong quá trình gửi và nhận tín hiệu .............. 16
Hình 2.1: Tấn công bằng thông điệp loại bỏ xác thực .................................. 25
Hình 2.2: Ngăn chặn tấn công sử dụngRES-CMD ....................................... 27
Hình 2.3: Điểm truy nhập giả mạo bằng một nút giả mạo ............................ 30
Hình 2.4: SS xác thực và đăng ký ................................................................. 31
Hình 2.5: Thuật toán ba DES ........................................................................ 37
Hình 2.6: Xác thực X.509 ............................................................................. 38
Hình 2.7: Nhận thực trong IEEE 802.16 ........................................................ 39
Hình 2.8: Xác thực và cấp phát khóa cấp phép bởi BS. BS là máy chủ và
SS là khách hàng ........................................................................... 43
Hình 2.9: Quá trình trao đổi khóa .................................................................. 44
Hình 2.10: SS yêu cầu BS cho các khoá mã hóa TEK0 và TEK1 ................ 46
Hình 3.1: Giao thức xác thực trong chuẩn IEEE802.16 ................................ 48
Hình 3.2: Quá trình xác thực lẫn nhau để tránh cuộc tấn công giả mạo BS ...... 50
Hình 3.3: Quá trình truyền thông tổng thể ..................................................... 51
Hình 3.4: Phòng chống tấn công lặp gói tin bằng cách sử dụng nhãn thời gian ........ 53
Hình 3.5: Trạm gốc (BS) đang chờ đợi kết nối .............................................. 54
Hình 3.6: SS được gửi thông tin đến BS ........................................................ 55
Hình 3.7: BS đang gửi thông tin cho các SS .................................................. 55
Hình 3.8: SS nhận được thông điệp từ BS và giải mã các thông điệp ........... 56
Hình 3.9: SS truyền tải thông điệp đến các AS .............................................. 56
Hình 3.10: AS xác minh các BS và gửi thông báo tới AS ............................. 57
Hình 3.11: SS xác minh các BS ..................................................................... 57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh các tiêu chuẩn IEEE 802.16 BWA [4] ............................... 5
Bảng 1.2: Năm giao diện vật lý định nghĩa trong chuẩn 802.16 [3] ................ 9
Bảng 1.3: Ưu điểm của OFDMA so với OFDM ............................................ 12
Bảng 1.4: Các tham số tỷ lệ S-OFDMA ........................................................ 13
Bảng 2.1: Các phím mã hóa được sử dụng trong tiêu chuẩn IEEE
802.16, IEEE 802.16-phiên bản 2004 [11] .................................... 40
Bảng 2.2: Các vấn đề cơ bản của giao thức PKMv1 trong tiêu chuẩn
IEEE 802.16[11] ............................................................................ 41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
1
MỞ ĐẦU
Từ khi xuất hiện mạng máy tính, tính hiệu quả, tiện lợi của mạng đã
làm thay đổi phương thức khai thác máy tính cổ điển. Mặc dù, mạng và công
nghệ mạng ra đời cách đây không lâu nhưng nó đã được triển khai ứng dụng ở
hầu hết khắp mọi nơi trên hành tinh. Ở nước ta, việc lắp đặt và khai thác
mạng máy tính đã trở nên rất phổ biến và được sử dụng ở hầu hết các cơ quan,
trường học, doanh nghiệp. Trong những năm gần đây, mạng Internet đã đã trở
thành mạng đa dịch vụ và đa phương tiện. Nhu cầu băng thông của mạng
truyền thông không ngừng gia tăng. Tuy nhiên, một số công nghệ băng thông
rộng hiện nay chưa đáp ứng được nhu cầu băng thông trong thực tế. Công
nghệ chuẩn IEEE 802.16 đã ra đời được kỳ vọng sẽ thay thế các hạ mạng
mạng viễn thông hiện nay. Chuẩn WIMAX đầu tiên ra đời năm 2001 và phiên
bản IEEE 802.16e được WIMAX Forum cải tiến vào năm 2007. Đây là một
trong các chuẩn đáp ứng được nhiều yếu tố tối ưu băng thông, cung cấp được
các dich vụ cố định cũng như di động và đã được triển khai phổ biến trên thế
giới. WIMAX là công nghệ mạng WMAN cho phép triển khai dễ dàng trong
thành phố cũng như vùng sâu, vùng xa. Các nút mạng WIMAX là thành phần
quan trọng trong kỹ thuật mạng lưới không dây Wireless Mesh Network
(WMN) một giải pháp tốt nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng cho các mạng
không dây. Tuy nhiên, khi triển khai mạng WIMAX cũng gặp không ít thách
thức, đặc biệt là vấn đề an toàn an ninh mạng, chính vì vậy tôi chọn đề tài:
“Phân tích đánh giá vấn đề an ninh trong mạng không dây WIMAX” là đề
tài nghiên cứu cho luận văn của mình. Đề tài gồm 3 chương như sau:
Chương 1. Kiến trúc của WIMAX chuẩn IEEE802.16
Chương 2. Phân tích vấn đề an ninh chuẩn IEEE802.16
Chương 3. Vấn đề xác thực
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
Chƣơng 1
KIẾN TRÚC CỦA WIMAX CHUẨN IEEE802.16
1.1. Quá trình phát triển của WIMAX
Vào cuối thế kỷ thứ 20 nhiều thiết bị viễn thông của các nhà sản xuất
bắt đầu xây dựng và giới thiệu sản phẩm cho BWA. Tuy nhiên, ngành công
nghệ đã trải qua một tiêu chuẩn tương thích. Với hệ thống thử nghiệm hệ
thống điện tử (N-West), Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ
(NIST) đã có một cuộc họp nói về vấn đề mạng không dây quốc gia vào tháng
8 năm 1998 [5].
Cuộc họp kết thúc với một quyết định tổ chức chuẩn IEEE802. Điều
này dẫn dến hình thành các nhóm làm việc với IEEE 802.16. Kể từ đó các
thành viên các nhóm đã bắt tay vào việc phát triển của các tiểu chuẩn BWA
cố định và đi động. Nhóm làm việc với chuẩn IEEE 802.16 truy nhập băng
thông rộng không dây (BWA) chịu trách nhiệm phát triển IEEE 802.16 và
giao diện WirelessMAN.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 có chứa các đặc điểm kỹ thuật của lớp vật lý
(PHY) và lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) không dây băng thông
rộng (BWA). Phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn IEEE 802.16-2001[6] đã
được phê duyệt vào tháng 12 năm 2001 và trải qua nhiều sửa đổi với tổ chức
các tính năng và chức năng mới. Vào tháng 9 năm 2004, phiên bản hiện tại
của tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 [15] đã được phê duyệt và kết hợp tất cả
các phiên bản trước đó của các tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn này quy định các giao
diện không dây cố định cho hệ thống BWA trong giấy phép và phổ tần được
miễn cấp phép hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện. Nhóm công tác phê duyệt sửa
đổi IEEE 802.16-2005 [4] đó vào tháng 2 năm 2006. Sự tiến hóa của tiêu
chuẩn 802.16 được trình bày ngay dưới đây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
3
1.1.1. IEEE 802.16-2001
Chuẩn IEEE 802.16-2001 đặc tả sự chuẩn hóa các lớp MAC và PHY
dành cho việc cung cấp truy nhập vô tuyến băng rộng cố định trong các kết
nối điểm-điểm, điểm-đa điểm. Với kỹ thuật điều chế sóng mang đơn trong dải
tần 10-66 GHz, IEEE 802.16-2001 cung cấp sự hỗ trợ cho cả truyền hai chiều
phân chia theo thời gian (TDD) và hai chiều phân chia theo tần số (FDD). Ở
các phân lớp con, IEEE 802.16-2001 xác định lớp MAC cơ bản để phục vụ
cho tất cả các sự thay đổi của các chuẩn. Trong khi 802.11 dựa vào
CSMA/CA để quyết định khi các nút trong mạng được chấp nhận truyền, lớp
MAC của IEEE 802.16-2001 sử dụng toàn bộ các mô hình khác nhau để điều
khiển truyền dẫn.
Để cung cấp truy cập không dây băng thông rộng cố định ở một điểmđiểm (PTP) hoặc điểm-đa điểm (PMP) phải xác định cấu trúc ở cả lớp điều
khiển môi trường truy nhập MAC và lớp PHY [4]. Lớp PHY sử dụng dải tần
hoạt động là 10-66 GHz, ta có thể gọi đó là “tầm nhìn thẳng” (LOS) viễn
thông. Trạm cơ sở (BS) được kết nối, thời gian và điều chế truyền tải, chia sẻ
với tất cả các nút trong mạng với các hình thức phát sóng đường lên (Uplink)
và ánh xạ đường xuống (Downlink maping). Thuê bao nghe các trạm cơ sở
mà chúng muốn kết nối và không cần phải lắng nghe bất kỳ nút khác trong
mạng. Các trạm thuê bao (SS) có khả năng thương lượng để phân bổ băng
thông trên một chum dữ liệu (burst) cơ sở để cung cấp lập kế hoạch có tính
linh hoạt.
Các kỹ thuật điều chế được sử dụng trong tiêu chuẩn này là QPSK, 16QAM và 64-QAM. Các kỹ thuật này có thể được thay đổi từ khung và SS phụ
thuộc vào khả năng kết nối. Tiêu chuẩn này hỗ trợ cả TDD và FDD. Khả năng
cung cấp sự khác biệt giữa chất lượng dịch vụ (QoS) trong lớp MAC là một
tính năng quan trọng của 802.16-2001. Kiểm tra QoS được thực hiện bởi một
định danh lưu lượng dịch vụ. Dòng chảy thông tin dịch vụ có thể được bắt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
4
nguồn từ BS hoặc SS. IEEE 802.16-2001 là công trình duy nhất trong điều
kiện Line of Sight (LOS) với thiết bị ngoài trời mặt bằng khách hàng (CPE).
Nhóm làm việc IEEE 802.16 cũng giới thiệu một số đặc điểm bảo mật.
Bảo mật trong IEEE 802.16 chủ yếu trong phân lớp con bảo mật. Mục tiêu
của phân lớp con bảo mật là cung cấp sự bảo mật dọc theo các kết nối vô
tuyến trong mạng. Để hoàn thành điều này, thực hiện mã hóa dữ liệu giữa BS
và SS. Để ngăn chặn kẻ trộm dịch vụ, SS có thể sử dụng X.509 để kiểm soát
các SS. Kể cả xác nhận là các khóa (key) và địa chỉ lớp MAC của các SS
công cộng. Chi tiết cụ thể của phân lớp con bảo mật sẽ được thảo luận trong
phần sau.
1.1.2. IEEE 802.16c-2002
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 được Hội đồng quản trị phê duyệt sửa đổi
IEEE 802.16c vào tháng 12- 2002 [5]. Sự bổ sung này để hiệu chỉnh một số
lỗi và sự mâu thuẫn trong chuẩn cơ sở, hệ thống chi tiết hồ sơ cho 10-66 GHz
đã được thêm vào. Một số lỗi và bất thường của phiên bản đầu tiên của tiêu
chuẩn đã được sửa chữa trong sửa đổi này.
1.1.3. IEEE 802.16a-2003
Phiên bản này sửa đổi IEEE 802.16-2001, bằng cách thay đổi một số
đặc điểm, cải tiến lớp kiểm soát truy, hỗ trợ đặc trưng kỹ thuật lớp vật lý và
bổ xung một số đặc trưng kỹ thuật lớp vật lý IEEE 802.16.
Nhóm công tác phê duyệt chuẩn này trong tháng 1 năm 2003 [14]. Dải
tần 2-11GHz đã được bổ sung và sửa đổi cho lớp vật lý. Cả hai dải tần được
cấp phép và được miễn giấy phép. Vì hoạt động phạm vi dưới 11 GHz No
Line of Sight (NLOS) nên có thể mở rộng phạm vi địa lý của mạng. Truyền
dẫn đa đường đã trở thành một vấn đề do hoạt động NLOS. Truyền dẫn đa
đường giảm nhẹ nhiễu giao thoa, kỹ thuật tiên tiến quản lý điện năng và các
mảng ăng ten thích nghi được đưa vào trong đặc điểm kỹ thuật [14].
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) bao gồm một số lựa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
5
chọn thay thế điều chế đơn sóng mang. Trong phiên bản này với vấn đề an
ninh được cải thiện. Một số các tính năng lớp riêng tư đã trở thành bắt buộc
trong khi ở IEEE 802.16-2001 là tùy chọn. Cấu trúc lưới liên kết với PMP là
một hỗ trợ tùy chọn trong phiên bản này của IEEE 802.16a.
Với nhiều phần tử yêu cầu các đặc tính của phân lớp con riêng tư, vấn
đề bảo mật được cải thiện. Các đặc tính riêng được sử dụng để chứng minh
chắc chắn người gửi các bản tin MAC IEEE 802.16. Tính riêng tư cũng được
hỗ trợ cho các mạng hình lưới (Mesh), nơi mà lưu lượng có thể định tuyến từ
trạm thuê bao tới trạm thuê bao. Đó là một sự thay đổi từ mô hình điểm-đa
điểm (PMP), nơi mà lưu lượng chỉ được cho phép giữa BS và SS. IEEE
802.16 thêm vào sự đặc tả lớp MAC phù hợp đã làm cho lược đồ truyền dẫn
của SS là một phần của lưới (Mesh), nhưng nó không hiện rõ với SS.
Bảng 1.1: So sánh các tiêu chuẩn IEEE 802.16 BWA [4]
IEEE 802.16-
IEEE802.16a
IEEE 802.16-
IEEE 802.16e-
2001
2003
2004
2005
Hoàn
Tháng 11 năm
Tháng 1 năm
Tháng 12 năm
Tháng 11 năm
thành
2011
2003
2004
2005
Dải tần
số
10-66 GHz
2-11 GHz
2-11 GHz
2-11 GHz
trường
truyền
LOS
NLOS
NLOS
NLOS
Băng
thông
kênh
Lên tới 134
Mbps (Dải kênh
28 MHz)
Lên tới 75 Mbps
(Dải kênh 20
MHz)
Lên tới 75 Mbps
(Dải kênh 20
MHz)
Lên tới 15 Mbps
(Dải kênh 5
MHz)
QPSK, 16-QAM
(optional in
BPSK, QPSK,
16-QAM,
64-QAM,
256 subcarriers
OFDM, BPSK,
QPSK, 16-
Scalable
OFDMA, QPSK,
16-QAM, 64-
256-QAM
(optional)
QAM, 64-QAM,
256-QAM
QAM, 256QAM (optional)
Fixed
Fixed/Nomadic
Portable/mobile
Môi
Điều chế
Mobility
UL), 64-QAM
(optional)
Fixed
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
6
1.1.4. Chuẩn IEEE 802.16d-2004
IEEE 802.16-2001, IEEE 802.16c-2002 và IEEE 802.16a-2003 đã được
tích hợp tất cả lại với nhau và tiêu chuẩn mới IEEE 802.16-2004 được chứng
nhận ngày 24/6/2004 và đã được công bố vào tháng 12/2004. Phiên bản này
bắt đầu được phát triển như việc đặc tả một hệ thống dưới cái tên IEEE
802.16-REVd nhưng đã đủ để công bố như là một sự tái bản thành công của
các chuẩn cơ bản IEEE 802.16. IEEE 802.16-2004 là một phiên bản được
chuẩn hóa để sử dụng cho việc chứng nhận WIMAX.
1.1.5. Chuẩn IEEE 802.16e
Nhóm công tác IEEE 802.16 hoạt động rất hiệu quả, với các ủy ban tích
cực làm việc trên các phần mở rộng thêm di động, tiêu chuẩn phù hợp và thử
nghiệm phương pháp luận. IEEE 802.16e mở rộng thêm hỗ trợ cho điện thoại
di động trạm thuê bao, được phê duyệt trong năm 2005. IEEE 802.16e đã trải
qua một số dự thảo sửa đổi. Chuẩn IEEE 802.16e-2005 được chứng nhận vào
cuối tháng 12/2005. IEEE 802.16e thêm vào đặc tính di động cho các chuẩn
hiện tại, sử dụng SOFDMA thay cho OFDM trong chuẩn IEEE 802.16d.
IEEE 802.16e cho phép chuyển giao tín hiệu tốc độ cao cần thiết cho truyền
thông với những người dùng di chuyển ở tốc độ của lưu lượng truyền thông.
1.2. Các giao thức của WIMAX
1.2.1. Các lớp giao thức
IEEE 802.16 BWA mạng tiêu chuẩn sau các kết nối hệ thống mở (OSI)
mô hình tham chiếu mạng bảy lớp còn được gọi là mô hình OSI bảy lớp. Các
khía cạnh khác nhau của một công nghệ mạng thường được mô tả bởi mô
hình này. Nó bắt đầu từ lớp ứng dụng (lớp 7) và kết thúc với vật lý (lớp 1).
Các chức năng của giao thức khác nhau được tách thành một loạt các lớp bởi
mô hình OSI, mỗi lớp sử dụng các chức năng của lớp thấp hơn và truyền dữ
liệu đến các lớp cao hơn nó. Ví dụ, giao thức Internet (IP) trong tầng định
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
7
tuyến (lớp 3) và gửi dữ liệu tới lớp cao hơn là lớp giao vận (lớp4). Nói chung,
các lớp cao hơn được thực hiện trong phần mềm và các lớp thấp hơn thực
hiện trong phần cứng.
Lớp vật lý (PHY) và liên kết dữ liệu (DLL) hoặc lớp 2 là hai lớp thấp
nhất trong mô hình OSI. Lớp liên kết dữ liệu (OSI Link Layer), được chia
thành hai lớp con. Đây là những lớp liên kết điều khiển logic (LLC-Logic link
control) và lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC- Media Access
Control). Các kết nối vật lý được thành lập bởi lớp PHY giữa hai thiết bị
truyền thông. Lớp MAC chịu trách nhiệm cho việc duy trì kết nối [2]. Trong
WIMAX/802.16 chỉ có hai lớp đầu tiên được định nghĩa và được hiển thị
trong hình1.1.
Application
Presentation
Session
Transport
LLC (Logical Link Control)
Network
Data link
MAC (Medium Access Layer)
PHYsical
Data Link Layer is
Divided into two
sublayers
Hình 1.1: Bảy lớp mô hình OSI cho các mạng
1.2.2. Lớp vật lý (PHY)
WIMAX là một hệ thống truy cập không dây băng thông rộng (BWA).
Vì vậy, dữ liệu được truyền đi ở tốc độ cao trên giao diện không khí thông
qua sóng điện tử bằng cách sử dụng một tần số hoạt động nhất định. Lớp PHY
(bộ vật lý) kết nối giữa cả hai bên, chủ yếu ở hai hướng up link và downlink.
Kể từ khi 802.16 là một công nghệ kỹ thuật số, lớp vật lý có trách nhiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
8
truyền các chuỗi bit. Nó phân loại các loại tín hiệu được sử dụng, điều chế và
giải điều chế. Các tiêu chuẩn 802.16 xem xét băng tần 2-66 GHz. Nó được
chia thành hai phần:
a. Phạm vi đầu tiên bắt đầu 2 đến 11 GHz và được thiết kế cho NLOS để
truyền thông. Điều này trước đây là tiêu chuẩn 802.16a. Đây là phạm vi
duy nhất hiện nay trong WIMAX.
b. Phạm vi thứ hai là giữa 11và 66 GHz và được thiết kế cho LOS được
truyền đi. Nó không thường được sử dụng cho WIMAX tại thời điểm
hiện tại. [2] Các tiêu chuẩn 802.16 định nghĩa năm giao diện vật lý.
Các tiêu chuẩn 802.16 (và sửa đổi) được mô tả giao diện vật lý trong các
phần cụ thể. Hai chế độ song công, phân chia thời gian TDD và phân theo tần
số FDD, cả hai có thể hoạt động trong hệ thống của chuẩn 802.16. PHY
WirelessMAN-SC quy định cụ thể đối với các tần số trong khoảng 10-66 GHz
với thời gian (LOS). Nhà cung cấp dịch vụ độc quyền điều chế và mã hóa các
đề án là cơ sở của tiêu chuẩn này. Nó hỗ trợ cả hai FDD và TDD riêng biệt
cho uplink và downlink. Lớp vật lý có trách nhiệm truyền các chuỗi bit. Nó
phân loại các loại tín hiệu được sử dụng, loại điều chế và giải điều chế. 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 dùng cố định và
khả chuyển. Bổ sung thêm khả năng hỗ trợ người dùng di động hoạt động
trong băng tần từ 2-6 GHz với phạm vi phủ sóng từ 2-5 km để có thể sử
dụng laptop, PDA tích hợp công nghệ WIMAX. Hỗ trợ cả 2 phương thức
song công là TDD và FDD (TDD: khung đường xuống và đường lên chia sẻ
một tần số nhưng tách biệt về mặt thời gian. FDD: truyền tải các khung
đường xuống và đường lên diễn ra cùng một thời điểm, nhưng tại các tần số
khác nhau).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
9
Bảng 1.2: Năm giao diện vật lý định nghĩa trong chuẩn 802.16 [3]
Designation
WirelessMAN-SC
Band of
Duplexing
Operation
Technique
10-66GHz
TDD, FDD
2-11GHz
WirelessMAN-SCa Licensed
TDD, FDD
Band
WirelessMAN-
Licensed
OFDM
Band
TDD, FDD
Notes
Single Carrier
Single Carrier
technique for NLOS
OFDM for
NLOSoperation
OFDM Broken
WirelessMAN-
Licensed
OFDMA
Band
intosubgroups to
TDD,FDD
providemultiple access
in asingle frequency
band.
May be SC, OFDM,
2-11GHz
WirelessHUMAN
Licensed
Exempt
OFDMA. Must include
TDD
Band
Dynamic Frequency
Selection to mitigate
interference.
Các giao diện lớp vật lý khác được đề xuất cho các tần số dưới 11 GHz
(NLOS): WirelessMAN-OFDM được gọi là OFDM và sử dụng OFDM truyền
tải. Đây là một trong các ưu điểm phù hợp nhất để cung cấp hỗ trợ cố định
trong môi trường NLOS vì sử dụng OFDM và các tính năng khác như chỉnh
sửa lỗi. Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ một phạm vi rộng các tần số hoạt động và
lớp vật lý có thể thực hiện một vài phương thức điều chế và ghép kênh.
Phương thức điều chế tại đường xuống và đường lên có thể là BPSK, QPSK,
16-QAM hoặc 64-QAM.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
10
Hình 1.2: Lớp giao thức trong IEEE 802.16
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là công nghệ
điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao. OFDM cho phép điều chế các
sóng mang phụ chồng lẫn lên nhau rất hiệu quả, làm giảm yêu cầu về băng
thông nhưng vẫn giữ được các tín hiệu trực giao mà không gây nhiễu cho các
tín hiệu khác.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao này được thực hiện
bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song
với tốc độ dữ liệu giảm đi. Mỗi một dòng số liệu này sau đó được truyền lên
những sóng mang riêng biệt được gọi là các sóng mang con (Sub-carrier). Các
sóng mang con này được điều chế trực giao với nhau bằng cách chọn tần số
cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được xếp đặt trên
miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một
kênh con là điểm không của kênh con lân cận.
Vì tính trực giao vẫn đảm bảo nên làm cho bên thu nhận có thể phân
biệt được các sóng mang con OFDM và khôi phục lại các tín hiệu này.
Hiệu quả của OFDM là yêu cầu về băng thông giảm đi rất nhiều nhờ
việc bỏ qua khoảng bảo vệ. Nhờ sự trực giao này mà hiệu quả sử dụng phổ
của toàn hệ thống tăng lên rõ rệt mà không gây ra nhiễu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Xem thêm -