Tài liệu Phân tích và đánh giá vấn đề an ninh trong mạng không dây wimax

.. 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