Tài liệu Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng wimax luận văn ths. công nghệ thông tin 60 48 15

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÀO TẤT TÚ NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VÀ AN TOÀN BẢO MẬT TRONG MẠNG WIMAX LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HV: Đào Tất Tú – K17 MMT Hà Nội – 2015 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÀO TẤT TÚ NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VÀ AN TOÀN BẢO MẬT TRONG MẠNG WIMAX Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số:60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Phạm Thanh Giang HV: Đào Tất Tú – K17 MMT Hà Nội – 2015 iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới TS.Phạm Thanh Giang, người thầy đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu khoa học và thực hiện luận văn này. Trong quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ Đại học Quốc Gia Hà Nội tôi thường xuyên nhận được sự quan tâm giúp đỡ, đóng góp ý kiến của các thầy cô trực tiếp giảng dạy và cán bộ giáo viên trong trường. Tôi xin chân thành cảm ơn tới tất cả các thầy cô. Tôi xin chân thành cảm ơn anh chị em học viên lớp cao học K17-MMT đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè, những người luôn ở bên tôi những lúc khó khăn nhất, luôn động viên tôi, khuyến khích tôi trong cuộc sống và công việc. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày……….tháng…….năm 2015 Học viên Đào Tất Tú HV: Đào Tất Tú – K17 MMT iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kiến thức trình bày trong luận văn này là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và trình bày lại theo cách hiểu của tôi. Trong quá trình làm luận văn tôi có tham khảo các tài liệu có liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo. Hà Nội, Ngày………tháng……..năm 2015 Học viên Đào Tất Tú HV: Đào Tất Tú – K17 MMT v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AAS AES AK AP ATM BE BPSK BR BS BTS CID CMAC CPE CPS CRC CS CSMA/ CA DES DL DSL DoS EAP FDD FDMA HMAC IPv4 Adaptive Atenna System Advanced Modulation and Coding Authentication Key AcceSS Point Asynchronous Transfer Mode Best Effort Binary Phase Shift Keying Bandwidth Request Base Station Base Transceiver Station Connection Identifier Cipher-base MeSSage Authentication Code Customer Premise Equipment Common Part Sublayer Cyclic Redundancy Check Convergence Sublayer Carrier Sense Multiple AcceSS With Collision Avoidance Data Encryption Standard Downlink Digital Subscriber Line Denial of Service Extensible Authentication protocol Frequency Division Duplexing Frequency Division Multiple AcceSS Hashbased meSSage authentication code Internet Protocol Version 4 HV: Đào Tất Tú – K17 MMT Hệ thống anten thích ứng Mã hóa và điều chế thích nghi Khóa cấp phép Điểm truy cập Chế độ truyền dị bộ Cố gắng tối đa Khóa dịch pha nhị phân Yêu cầu băng thông Trạm gốc Trạm thu phát gốc Bộ nhận dạng kết nối Cơ bản mã hóa thông điệp mã xác thực Thiết bị người dùng Lớp con phần chung Kiểm tra dư thừa vòng Lớp con hội tụ Đa truy cập nhận biết sóng mang phát hiện xung đột Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu Đường xuống Đường dây thuê bao số Từ chối dịch vụ Giao thức nhận thực mở rộng Song công theo tần số Đa truy nhập phân chia theo tần số Mã nhận thực bản tin hash là phiên bản thứ 4 trong sự phát triển của giao thức Internet vi IPv6 Internet Protocol Version 4 IEEE Institute for Electrical and Electronic Engineers Key Encryption Key Line of sight Metropolitan Area Network Media AcceSS Protocol Medium AcceSS ControlLayer KEK LOS MAN MAP MAC MIMO MS NLOS NrtPS Multi input Multi output Mobile station Non Light of Sight Non-Real-Time Polling Service OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple AcceSS OSI Open System Inter-connect PDU Protocol Data Unit PHS Packet Header SuppreSSion PHY Physical Layer PKM Privacy Key Management PSTN Public Switched Telephone Network QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quandrature of Service QPSK Quandrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency RSA Rivest, Shamir, Adleman RTG Receive/Tranmit Transition Gap RtPS Real-time Polling Service HV: Đào Tất Tú – K17 MMT là phiên bản thứ 6 trong sự phát triển của giao thức Internet Viện kỹ thuật điện và điện tử (Mỹ) Khóa mật mã khóa Tầm nhìn thẳng Mạng khu vực đô thị Giao thức truy cập môi trường Lớp điều khiển truy cập môi trường Đa đường vào đa đường ra Thiết bị di động Truyền sóng không trực xa Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Đa truy nhập chia tần số trực giao Kết nối liên hệ thống Đơn vị dữ liệu thủ tục Nén tiếp đầu gói Lớp vật lý Quản lý khóa riêng Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Điều chế biên độ cầu phương Chất lượng dịch vụ Khóa dịch pha cầu phương Tần số vô tuyến Tên 3 nhà phát minh Khoảng trống chuyển tiếp thu/phát Dịch vụ thăm dò thời gian thực vii SA SAID Security ASSociation Security ASSociation Identifier SAP Service AcceSS Point SDU Service Data Unit SFID Service Flow Identifier SLA Service Level Agreement SScalable Orthogonal OFDMA Frequency Division Multiplex AcceSS SS Subscriber Station TDD Time Division Duplexing TDM Time Division Multiplexing TDMA Time Division Multiple AcceSS TEK Traffic Encryption Key UGS Unsolicited Grant Service UL Uplink VLAN Virtual Local Area network WIFI WireleSS Fidelity Tập hợp bảo mật Bộ nhận dạng tập hợp bảo mật Điểm truy cập dịch vụ Đơn vị dữ liệu dịch vụ Bộ nhận dạng luần dịch vụ Thỏa thuận mức dịch vụ Truy cập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao tỉ lệ Trạm thuê bao Song công theo thời gian Dồn kênh phân chia theo thời gian Đa truy cập phân chia thời gian Khóa mật mã lưu lượng Dịch vụ cấp pháp tự nguyện Hướng lên Mạng LAN ảo Hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến WIMAX Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác toàn cầu đối Micoware AcceSS với truy cập vi ba WLAN WireleSS Local Area Network Mạng cục bộ không dây XOR Exclusive-OR Hàm cộng modul HV: Đào Tất Tú – K17 MMT viii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. v DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................... x DANH SÁCH BẢNG BIỂU ............................................................................. xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY WIMAX .................... 2 1.1. Giới thiệu chương........................................................................................................ 2 1.2. Mạng không dây WiMax ............................................................................................. 2 1.2.1.Mạng WiMax cố định (Fixed WiMax) .................................................................... 4 1.2.2.Mạng WiMax di động (Mobile WiMax) .................................................................. 5 1.3. Đặc điểm của mạng WIMAX ...................................................................................... 6 1.4.Giới thiệu về chuẩn IEEE 802.16 ............................................................................... 9 1.4.1 Chuẩn IEEE 802.16-2001 ...................................................................................... 9 1.4.2 Chuẩn IEEE 802.16 - 2004 .................................................................................. 10 1.4.3 Chuẩn IEEE 802.16e - 2005 ................................................................................ 10 1.5 Kiến trúc phân lớp của WiMax ................................................................................... 11 1.5.1 Mô hình tham chiếu. ............................................................................................ 11 1.5.2 Lóp MAC. ............................................................................................................ 12 1.5.3 Lớp vật lý ............................................................................................................ 17 CHƯƠNG II: VẤN ĐỀ AN NINH TRONG MẠNG WIMAX ........................ 25 2.1. Các lỗ hổng của mạng không dây (IEEE 802.11) ....................................................... 25 2.2. Phân tích về lỗ hổng của chuẩn IEEE 802.16 ............................................................. 25 2.2.1. Tấn công vào quá trình loại bỏ xác thực ............................................................. 25 2.2.2. Tấn công lặp gói tin ............................................................................................ 28 2.2.3 . Tấn công giả AP ................................................................................................ 29 2.2.4 . Giả địa chỉ MAC................................................................................................ 33 2.2.5. Tấn công truyền phát cảm nhận sóng mang ........................................................ 34 CHƯƠNG III: VẤN ĐỀ XÁC THỰC VÀ MÃ HÓA ...................................... 36 TRONG MẠNG WIMAX................................................................................ 36 3.1. Kiến trúc bảo mật ...................................................................................................... 36 3.1.1 Tập hợp bảo mật.................................................................................................. 37 3.1.1.1. Thuật toán mã hóa ....................................................................................... 38 3.1.1.2. Chứng chỉ số X.509 ...................................................................................... 39 3.1.2 Giao thức quản lí khóa PKM ............................................................................... 41 3.2. Quy trình bảo mật...................................................................................................... 41 3.2.1. Xác thực ............................................................................................................. 42 3.2.2. Trao đổi khóa dữ liệu ......................................................................................... 43 3.2.3. Mã hóa dữ liệu ................................................................................................... 44 3.3. Hạn chế của kiến trúc bảo mật ................................................................................... 45 3.4. Giải pháp nâng cao chất lượng xác thực trong mạng Wimax...................................... 46 3.4.1 Xác thực lẫn nhau................................................................................................ 46 3.4.2 Nâng cao độ an toàn trong vấn đề xác thực cho BS ............................................. 47 3.4.3 Phòng chống tấn công lặp gói tin ........................................................................ 48 3.4.4 Phòng chống tấn công chen giữa và tấn công từ chối dịch vụ .............................. 49 CHƯƠNG IV: THỬ NGHIỆM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH XÁC THỰC TRONG MẠNG WIMAX ........................................................... 50 HV: Đào Tất Tú – K17 MMT ix 4.1. Cấu hình hệ thống ..................................................................................................... 50 4.2. Kịch bản thử nghiệm ................................................................................................. 50 4.3. Mô phỏng kết quả...................................................................................................... 51 KẾT LUẬN...................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 58 Phụ lục 1: Lập trình mã cho các BS (Base Station) .......................................... 60 Phụ lục 2: Lập trình mã cho các SS (Subscriber Station) .................................. 64 Phụ lục 3: Lập trình mã cho các AS (Authentication Station) ........................... 68 HV: Đào Tất Tú – K17 MMT x DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình mạng WiMax ........................................................................................... 3 Hình 1.2: Mô hình truyền thông của Wimax........................................................................... 3 Hình 1.3: Mô hình mạng Wimax cố định ............................................................................... 4 Hình 1.4: Mô hình ứng dụng Wimax di động ......................................................................... 6 Hình 1.5: Mô hình phân lớp trong hệ thống Wimax so sánh với OSI ...................................... 7 Hình 1.6: Mô hình tham chiếu.............................................................................................. 12 Hình 1.7: Các định dạng MAC PDU .................................................................................... 13 Hình 1.8:Cấu trúc thời gian symbol OFDM.......................................................................... 19 Hình 1.9:Mô tả Symbol OFDM miền tần số ......................................................................... 19 Hình 1.10:Cấu trúc khung OFDM với TDD ......................................................................... 21 Hình 1.11: Cấu trúc thời gian Symbol OFDMA. .................................................................. 22 Hình 1.12: Mô tả tần số OFDMA (ví dụ với lược đồ 3 kênh con). ........................................ 22 Hình 1.13 : Phân bố thời gian-khung TDD (chỉ với miền bắt buộc) ...................................... 23 Hình 1.14: Định dạng TCPDU ............................................................................................. 24 Hình 2.1: Tấn công bằng thông điệp loại bỏ xác thực [18].................................................... 26 Hình 2.2: Ngăn chặn tấn công sử dụngRES-CMD [18] ........................................................ 28 Hình 2.3: Điểm truy nhập giả mạo bằng một nút giả mạo [18].............................................. 31 Hình 2.4: SS xác thực và đăng ký [18] ................................................................................. 32 Hình 3.1: Mô hình kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16 [8] ............................................... 37 Hình 3.2: Thuật toán ba DES [18] ........................................................................................ 39 Hình 3.3: Xác thực X.509 [18] ............................................................................................. 40 Hình 3.4: Quy trình bảo mật ................................................................................................. 41 Hình 3.5: Quá trình xác thực SS với BS ............................................................................... 42 Hình 3.6: Quá trình trao đổi khóa dữ liệu ............................................................................. 44 Hình 3.7: Định dạng payload trước và sau khi mã hóa.......................................................... 45 Hình 3.8: Giao thức xác thực trong chuẩn IEEE802.16 ........................................................ 46 Hình 3.9: Quá trình xác thực lần nhau để tránh cuộc tấn công giả mạo BS ........................... 48 Hình 3.10: Phòng chống tấn công lặp gói tin bằng cách sử dụng nhãn thời gian ................... 49 HV: Đào Tất Tú – K17 MMT xi DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các chuẩn 802.16 tiêu biểu .................................................................................. 10 Bảng 1 2: Các tham sô tỉ lệ OFDMA .................................................................................... 23 HV: Đào Tất Tú – K17 MMT 1 MỞ ĐẦU Những năm trở lại đây công nghệ không dây Wireless (WLAN) được sử dụng rộng rãi trong đời sống, cùng với những tính năng ưu việt của nó đã làm thay đổi đáng kể phương thức truyền dẫn của các mạng LAN truyền thống. Trong khi các đô thị hiện đại trên thế giới ngày càng phát triển có đến hàng trăm điểm kết nối WLAN công cộng, thì người dùng tại những nước đang phát triển hay tại các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa, ngoài hải đảo việc triển khai công nghệ này đòi hỏi phải có một khoản chi phí cao đáng kể. Công nghệ WiMax ra đời là một giải pháp hoàn hảo đáp ứng được các yêu cầu kể trên cả về mặt công nghệ lẫn chi phí triển khai. Việc ứng dụng công nghệ WiMax vào hạ tầng mạng sẽ giúp sử dụng, kết nối Internet tốc độ cao không còn là chuyện xa vời, hiếm hoi đối với nhứng nơi hẻo lánh mà khả năng kéo cáp gặp nhiều khó khăn, góp phần thu hẹp khoảng cách giữa thành thị và nông thông trong lĩnh vực thông tin. Vì là mạng tĩnh, rất nhiều người sử dụng cho các loại hình dịch vụ khác nhau, nên sẽ nẩy sinh nhiều vấn đề phải quan tâm, những tin tức quan trọng nằm ở kho dữ liệu hay đang trên đường truyền có thể bị trộm cắp, có thể bị làm sai lệch, có thể giả mạo. Để giải quyết những vấn đề trên, bảo mật thông tin đã được đặt ra cấp thiết. WiMax là công nghệ sử dụng đường 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. Chính vì điều đó nghiên cứu các chính sách bảo mật, các phương pháp mã hóa dữ liệu sử dụng trong mạng băng thông 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 “Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng Wimax” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình. HV: Đào Tất Tú – K17 MMT 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY WIMAX WiMax là một công nghệ cho phép truy cập băng thông rộng vô tuyến đến thiết bị đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và đường truyền dây thuê bao số DSL… WiMax cho phép kết nối băng thông rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể di động nhưng cố định trong lúc kết nối), portable (Người dùng 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 gố BS (Base station). WiMax khắc phục được các nhược điểm của các phương pháp truy nhập hiện tại. 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. Bên cạnh đó WiMax cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi máy tính muốn truy cập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMax gần nhất. 1.1. Giới thiệu chương Trong chương này trình bày tổng quan về mạng không dây WiMax, đặc điểm, các chuẩn của WiMax và kiến trúc phân lớp của WiMax. 1.2. Mạng không dây WiMax WiMax (Worldwide Interoperrability for Micorware Access) công nghệ truy nhập mạng không dây băng thông rộng. WiMax có thể cung cấp sự truy cập không dây băng thông rộng lên tới 30 dặm (50km) đối với trạm cố định và 3-10 dặm (5-15km) đối với các trạm di động. Ngược lại, chuẩn mạng cục bộ không dây WiFi/802.11 bị giới hạn trong hầy hết các trường hợp chỉ 100-300 feet (30100m). Với WiMax, các tỷ lệ dữ liệu giống WiFi được hỗ trợ một cách dễ dàng, nhưng kết quả nhiễu được giảm bớt. WiMax hoạt động ở cả các dải tần cho phép và các dải tần không cho phép, cung cấp một môi trường điều hòa và mô hình kinh tế có thể làm được đối với sóng mang không dây, WiMax có thể được sử dụng đối với mạng không dây trong nhiều phương pháp như giao thức WiFi. Thực tế WiMax hoạt động như WiFi nhưng ở tốc độ cao hơn và khoảng cách xa hơn cùng với một số lượng lớn người dùng, một hệ thống WiMax gồm 2 phần: HV: Đào Tất Tú – K17 MMT 3 + Trạm phát: Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng lớn tới 8000km2. Hình 1.1: Mô hình mạng WiMax + Trạm thu: Có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết lập sắn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng. Hình 1.2: Mô hình truyền thông 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 thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten HV: Đào Tất Tú – K17 MMT 4 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 thế phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích. Wimax là một chuẩn không 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: 1.2.1.Mạng WiMax cố định (Fixed WiMax) 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 môi trường nhìn thẳng - LOS (line-of-sight) và không nhìn thẳng NLOS (Non- line-of-sight). Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tại đã được cấp chứng chỉ và thương mại hóa. Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004. Tiêu chuẩn này gọi là “không 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 thông tin vệ tinh. Hình 1.3: Mô hình mạng Wimax cố định Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất HV: Đào Tất Tú – K17 MMT 5 nhiên tín hiệu thu không khỏe bằng anten ngoài 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 thế 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 mô hình này bộ phận vô 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 1.2.2.Mạng WiMax di động (Mobile WiMax) Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.l6e, được thiết kế cho loại truy cập xách tay và di động, về cơ bản, tiêu chuẩn 802.l6e 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 HV: Đào Tất Tú – K17 MMT 6 Hình 1.4: Mô hình ứng dụng Wimax di động Mô hình Wimax di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.l6e được thông qua trong năm 2005. Tiêu chuẩn 802.l6e 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 thế tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng. 1.3. 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 không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau: [3][4] + 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 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. HV: Đào Tất Tú – K17 MMT 7 Hình 1.5: Mô hình phân lớp trong hệ thống Wimax so sánh với OSI + 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 mô hình OSI và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở hình 1.5 [4]. Wimax đã được thiết kế đế 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 điếm, công 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 thế sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn. + Chất lượng 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 vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE).iMX + Triển khai nhanh: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, Wimax yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài. Ví dụ, đào hố HV: Đào Tất Tú – K17 MMT 8 để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu 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 dải tần không đăng ký, không 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 khó khăn. + Tính tương thích: Wimax dựa vào quốc tế, các chuẩn không 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.l6e 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 không dây băng thông rộng tại bất cứ đâu 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 nhanh, và giá cạnh tranh xảy ra sẽ cung cấp sự tiết kiệm chi phí đáng kế 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. + Hoạt động NLOS: Khả năng hoạt động của mạng Wimax mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng 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 HV: Đào Tất Tú – K17 MMT 9 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 công 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 ngoài (LOS). + Dung lượng 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 vô 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. 1.4.Giới thiệu về chuẩn IEEE 802.16 1.4.1 Chuẩn IEEE 802.16-2001 Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho các mạng vùng đô thị. Đặc điểm chính của IEEE 802.16 - 2001: - Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định họat động ở dải tần 10-66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng. - Lớp vật lý PHY: WireleSSMAN-SC. - Tốc độ bit: 32 - 134 Mbps với kênh 28 MHz. - Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM. - Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz. - Bán kính cell: 2-5 km. HV: Đào Tất Tú – K17 MMT