Đề tài Tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ Wimax

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Gần đây trên các phương tiện thông tin đại chúng như báo, đài, Internet,…đang đưa tin rầm rộ về việc triển khai công nghệ Wimax ở Việt Nam của các công ty lớn như VTC, FPT, Viettel,…Các công ty đó đang ra sức để cạnh tranh với hy vọng mình là lực lượng dẫn đầu cả nước trong công nghệ Wimax. Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập Internet phổ biến hiện nay như quay số qua Modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng, hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng WiFi. Mỗi phương pháp truy cập mạng đều có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên tới 8Mbps nhưng cần có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà không dễ dàng triển khai đối với các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps, quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép truy cập ở tốc độ lên đến 171,2Kbps hay EDGE khoảng 300-400Kbps cũng chưa đủ để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet. Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vượt quá 2Mbps. Với mạng WiFi (chính là mạng LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. Là một sinh viên Điện Tử Viễn Thông, là một kỹ sư Viễn Thông trong tương lai em rất tò mò và khát khao muốn tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ Wimax, muốn xem nó có những ưu và nhược điểm gì so với những công nghệ khác, biết đâu trong tương lai nó sẽ giúp cho em rất nhiều trong công việc cũng như cuộc sống. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.Khái niệm công nghệ Wimax: Wimax là tên viết tắt của World Interoperability for Microwave Access. Về mặt kỹ thuật Wimax là công nghệ dựa trên sự kết hợp giữa một phần chuẩn 802.16a và HiperMan, những chuẩn mà được thiết kế ra với mục đích cung cấp một giải pháp truy nhập cho các mạng không dây băng rộng cỡ lớn, cụ thể là mạng đô thị MAN. Với sự kết hợp của IEEE và ETSI, xét về mặt chuẩn hóa Wimax trở thành công nghệ chuẩn trên toàn thế giới. 2. Đặc điểm của một số chuẩn Wimax:(Bảng 1) 802.16 802.16a/REVd 802.16e Ngày đưa ra chuẩn 12/2001 802.16a/2003 802.16REVd quí 3/2004 Quí 2/2005 Phổ tần 10 ÷ 66GHz < 11 GHz < 6 GHz Môi trường truyền LOS NLOS NLOS Tốc độ bit 32 ÷ 134 Mbps với độ rộng kênh 28MHz Cao nhất đến 75 Mbps với độ rộng kênh 20 MHz Lên tới 15 Mbps với độ rộng kênh 5 MHz Phương thức điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM OFDM 256, OFDMA, BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM OFDM 256, OFDMA, BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM Tính di động Cố định Cả cố định và di động Tính di động cao và cả roaming Băng thông mỗi kênh 20, 25, 28 MHz Lựa chọn băng thông từ 1,25 MHz đến 20 MHz Lựa chọn băng thông từ 1,25 MHz đến 20 MHz Bán kính phủ sóng 2 ÷ 6 km 6 ÷ 10 km, tối đa tới 50 km 2 ÷ 6 km Bảng 1: Các chuẩn IEEE 802.16 3. Wimax với một số công nghệ đi trước: Mạng đô thị Man theo định nghĩa là mạng bao phủ trên phạm vi một đô thị. Về mặt ứng dụng, trên mạng MAN người ta có thể triển khai cung cấp thông tin cho rất nhiều các loại dịch vụ công cộng khác nhau như y tế, văn hóa, xã hội…Về mặt kĩ thuật, mạng MAN là tập hợp của rất nhiều công nghệ khác nhau, mỗi công nghệ tương ứng với một phần khác nhau trong mạng. Cũng giống như các mạng LAN, WAN, mạng MAN chia làm hai loại: mạng MAN có dây và mạng MAN không dây. Có ba ứng dụng cơ bản nhất xây dựng nên mạng MAN truy nhập là trục (backhaul), phân tán đến người dùng cuối (last-mile) và các vùng dịch vụ (hotzone). WiMax là công nghệ cho mạng MAN không dây. Đã có rất nhiều công nghệ băng rộng không dây ra đời, nhưng cho tới nay, chưa có một công nghệ không dây băng rộng nào hướng tới mục tiêu cung cấp tổng hợp các giải pháp truy nhập cho mạng MAN một cách tối ưu như WiMax. Các công nghệ đi trước chỉ cung cấp các giải pháp đơn lẻ, hướng tới một mục phần cụ thể trong mạng MAN ví dụ như LMDS hay WiFi,… LMDS là công nghệ sử dụng dải tần trên 20GHz để truyền sóng. LMDS là một chuẩn hoạt động dưới sự hậu thuẫn của các tổ chức quốc tế ATM Forum, ETSI, ITU,… Ở dải tần số lớn thế này, LMDS chỉ cho phép truyền sóng trong tầm nhìn thẳng (LOS) trong phạm vi vài cây số (5-7km). LMDS cho phép triển khai các dịch vụ tốc độ cao như thoại, video, Internet,… Hệ thống LMDS có tốc độ rất cao, hiệu suất điều chế của nó có thể đạt tới 5bit/Hz/s. LMSD chỉ thích hợp với các mạng trục, các tổ chức doanh nghiệp có nhu cầu về tốc độ lớn. LMDS không thích hợp với các khách hàng riêng lẻ, các hộ gia đình. WiFi thực ra là công nghệ hướng tới các mạng LAN không dây nhưng nó vẫn có thể dùng để triển khai cho các mạng rộng hơn như MAN. Nhưng chính vì nó không được thiết kế cho MAN nên việc triển khai nó cho MAN gặp rất nhiều vấn đề. Thứ nhất, dải tần làm việc của 802.11 là dải tần miễn phí, nhiễu rất lớn. Do đó nó hoàn toàn không thích hợp với việc triển khai các dịch vụ công cộng cỡ lớn. Thứ hai, 802.11 được thiết kế cho các mạng ít thuê bao, kênh truyền của nó cố định kích thước khoảng 20MHz, rất kém linh hoạt. Thứ ba, 802.11 chưa được cung cấp cơ chế QoS, một vấn đề vô cùng vô cùng quan trọng đối với các hệ thống mạng đa dịch vụ. Thứ tư, mặc dù nếu ta truyền trong môi trường tốt, ít nhiễu, LOS sử dụng các Anten định hướng với công suất đủ lớn thì WiFi có thể đật tới khoảng cách vài km nhưng phạm vi bao phủ như thế cũng rất hẹp. Thứ năm, WiFi không hỗ trợ kiến trúc Mesh, một kiến trúc đảm bảo sự liên thông tốt trong mạng đô thị…. Chỉ có sự ra đời của WiMax mới giải quyết được tất cả ba loại dich vụ cơ bản trên của mạng MAN. Nó có thể sử dụng các trạm gốc để thiết lập tyến trục, phân phối dich vụ tới khách hàng riêng lẻ hoặc thiết lập nên các vùng truy nhập dịch vụ. Hiện nay, WiMax được xem là một giải pháp toàn diện của công nghệ không dây băng rộng trong đô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… Wimax cho phép truyền không dây các loại dữ liệu, hình ảnh, âm thanh nhanh hơn DSL hay cáp, và tất nhiên là nhanh hơn nhiều lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu điều kiện truyền thẳng. Phạm vi bao phủ của WiMax có thể lên tới vài chục km với tốc độ lớn nhất là 70Mbps. Băng thông của WiMax đủ để cung cấp đồng thời hàng trăm thuê bao T1 hoặc hàng trăm thuê bao DSL. Hiện nay việc triển khai các mạng cable, DSL có thể mất rất nhiều thời gian và tốn kém mà kết quả là một số lượng khách hàng có nhu cầu mà không được cung cấp dịch vụ. Wimax khắc phục hạn chế này, có khả năng cung cấp các dịch vụ nhanh chóng và dễ dàng, ngay cả ở những nơi như nông thôn, rừng núi,… những nơi vô cùng khó khăn và bất lợi đối với việc triển khai các hệ thống có dây hoặc là khả năng khắc phục những hạn chế về mặt vật lý trong các mạng có dây. Trong tương lai, Wimax sẽ được tích hợp vào các thiết bị không cố định như máy xách tay, PDA,… Một hệ thống WiMax gồm hai phần:(Hình 1) - Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng tới một vùng rộng tới 8000km2 - Trạm thu: Có thể là các anten nhỏ như như các thẻ (Card) mạng cắm vào hoặc được thiết lập có sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng. 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 LOS (Line of Sigh) và chính vì vậy WiMax có thể phủ sóng tới những vùng rất xa. Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc là 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. Hình 1: Mô hình truyền thông của Wiamx 4. Một số ứng dụng của Wimax: Phủ sóng trong phạm vi rộng, tốc độ truyền tin lớn, hỗ trợ đồng thời nhiều thuê bao và cung cấp các dịch vụ như VoIP, Video mà ngay cả ADSL hiện tại cung chưa đáp ứng được là những đặc tính ưu việt của WiMax. Các đường ADSL ở những khu vực mà trước đây đường dây chưa tới được thì nay đã có thể truy cập được Internet. Do vậy, WiMax có rất nhiều ứng dụng và tương lai của WiMax cũng rất sáng sủa do nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới, Intel, cũng rất quan tâm phát triển công nghệ WiMax. Có thể kể ra một số ứng dụng và tiềm năng phát triển của WiMax như: Dịch vụ thoại và dữ liệu cho hộ gia đình và các doanh nghiệp nhỏ : Các khách hàng này chủ yếu ở các vùng nông thôn và ngoại ô.Với nhiều loại CPE khác nhau và các chức năng QoS , hệ thống WiMax có thể cung cấp dịch vụ truy cập internet, VoIP, chơi game, truyền hình ảnh. Đa dịch vụ tới các đơn vị kinh doanh : Khách hàng này sẽ tập trung ở các vùng đô thị, đó là các công ty,tập đoàn, tổ chức, cơ quan chính phủ. Dịch vụ hướng tới tập khách hàng này chính là dịch vụ dữ liệu băng rộng, dịch vụ thoại, đường thuê kênh - leased line, mạng riêng ảo-VPN, dịch vụ hội nghị truyền hình-Video Confernecing. Cung cấp đường truyền tới các hotspot của WiFi. Với việc sử dụng loại CPE làm đường kết nối tới các Hotspot (cấu trúc WiMax bên ngoài và WiFi bên trong - WiFi inside, WiMax outside),các nhà cung cấp dịch vụ có thể hướng tới các khách hàng là các sân bay, trung tâm thương mại, quán cafe internet, khách sạn, trường học ... Dịch vụ di động: Khi chuẩn 802.16e chính thức ra đời WiMax sẽ trở lên di động hoàn toàn. Các thiết bị đầu cuối sẽ là PDA, Palm, máy tính xách tay. Dịch vụ lúc này sẽ là dịch vụ Multimedia. Bên cạnh đó, hệ thống WiMax sẽ giúp cho các nhà khai thác di động không còn phải phụ thuộc vào các đường truyền phải đi thuê của các nhà khai thác mạng hữu tuyến, cũng là đối thủ cạnh tranh của họ. Hầu hết hiện nay đường truyền dẫn giữa BSC và MSC hay giữa các MSC chủ yếu được thực hiện bằng các đường truyền dẫn cáp quang, hoặc các tuyến viba điểm - điểm. Phương pháp thay thế này có thể giúp các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động tăng dung lượng để triển khai các dịch vụ mới với phạm vi phủ sóng rộng mà không làm ảnh hưởng đến mạng hiện tại. Ngoài ra, WiMax với khả năng phủ sóng rộng, khắp mọi ngõ ngách ở thành thị cũng như ở nông thôn, sẽ là một công cụ hỗ trợ đắc lực trong các lực lượng công an, lực lượng cứu hỏa hay các tổ chức cứu hộ khác có thể duy trì thông tin liên lạc trong nhiều điều kiện thời tiết và địa hình khác nhau 5. Những ưu điểm của công nghệ WiMax: - Thông lượng: Với việc sử dụng các mô hình điều chế hết sức linh hoạt và mạnh mẽ, WiMax có thể cung cấp thông lượng cao trong một phạm vi bao phủ rộng. Các mô hình điều chế thích ứng động cho phép các BS cân bằng giữa thông lượng và khoảng cách. Thông lượng lớn nhất trong WiMax có thể đạt được là khoảng 75Mbps trong điều kiện truyền tốt. - Khả năng mở rộng: Để thực hiện dễ dàng việc triển khai (cell planning) ở cả dải tần cấp phép (licensed band) và dải tần miễn phí (license-exempt), 802.16 cung cấp một cách linh động các độ rộng kênh truyền khác nhau. Ví dụ, nếu một nhà điều hành được đăng kí 20MHz tần phổ, nhà điều hành đó có thể chia làm hai sector, mỗi sector 10MHz, hoặc là 4 sector, mỗi sector là 5MHz, điều này ưu việt hơn hẳn so với một số mạng băng rộng khác có độ rộng kênh cố định như WiFi. Bằng việc tập trung công suất, nhà điều hành vẫn có thể đảm bảo được chất lượng, phạm vi bao phủ cũng như phần nào thông lượng. Để mở rộng mạng, vùng bao phủ, họ có thể sử dụng lại tần số. - Phạm vi bao phủ: Để hỗ trợ một cách mạnh mẽ và linh động các mô hình điều chế, Wimax cũng cung cấp các công nghệ làm tăng phạm vi bao phủ, bao gồm kỹ thuật Mesh topology và anten thông minh (smart-antenna). - Chất lượng dịch vụ (QoS): Khả năng cung cấp dịch vụ voice là đặc biệt quan trọng, nhất là trong môi trường toàn cầu như hiện nay. Chính vì vậy WiMax cung cấp các thành phần đảm bảo QoS cho phép triển khai các dịnh vụ voice, video với độ trễ thấp. Tính năng request/grant trong lớp MAC của 802.16 cho phép một nhà điều hành có thể cung cấp đồng thời các dịch vụ với độ đảm bảo khác nhau như dịch vụ T1 hoặc best-effort, giống như trong cable. - Bảo mật: Tính năng bảo mật được tích hợp sẵn trong 802.16 cung cấp một cơ chế truyền thông tin cậy và an toàn. 802.16 định nghĩa riêng một lớp con cho bảo mật thuộc lớp MAC gọi là lớp SS. 6. Triển vọng của Wimax ở Việt Nam: Dù đang di chuyển ở vùng sâu, vùng xa, bạn vẫn có thể kết nối Internet tốc độ cao, xem truyền hình theo yêu cầu, điện thoại VoIP…Mạng không dây băng rộng đang vẽ ra một viễn cảnh cải thiện sự liên kết hơn 1 tỷ người hiện tại với hơn 5 tỷ người trong tương lai Hiện nay chúng ta có thể nối Internet bất cứ ở đâu dù bạn đang ở nhà, ở công ty, tại các điểm cà phê Internet hiện đang tràn ngập tại các thành phố, trong khách sạn, sân bay…nếu có “điểm truy cập” (hostpot) xuất hiện, đó là WiFi. Tuy nhiên nếu bạn ra ngoài “vùng phủ sóng” của hostpot, bạn sẽ đứt liên lạc ngay lập tức. Wimax sẽ phân phối điểm bắt đầu kết nối mạng băng rộng không dây trong một khu vực rộng hơn với nhiều dịch vụ mạnh hơn, tốc độ cao hơnkhi so sánh với mức truyền thống hiện nay của đường liên kết thuê riêng (Leased Line), dịch vụ nối Internet qua TV cáp (Cable Modem), dịch vụ liên kết số băng thông rộng (xDSL-ADSL của VDC, FPT…)… Wimax cũng cung ứng điểm giao tiếp với hạ tầng viễn thông “backhaul” cho các nhà cung cấp dịch vụ, hệ thống hạ tầng cho các khu vực (campus network) và cho các hostpot truy cập Internet hiện nay. Trong vài năm tới, các kĩ thuật mới theo chuẩn 802.16e sẽ cho phép tạo ra các ứng dụng không dây với tốc độ cao trong môi trương dày đặc người dùng, và cho phép thiết lập các liên kết liên tục hơn với hệ thống mạng so với hiện nay. Cuộc “cách mạng” về tốc độ: Wimax là công nghệ không dây cho mạng MAN (mạng diện rộng khu vực – hay mạng diện rộng trong thành phố) dựa theo chuẩn IEEE 802.16. Chuẩn này được thiết lập cho việc cung cấp các kết nối đầu và cuối dùng công nghệ mạng không dây băng rộng có tốc độ tương đương mức E1 (T1) hay xDSL cho doanh nghiệp hay hộ gia đình. Wimax cũng được dùng cho việc liên kết các hệ thống mạng (từ việc kết nối các hệ thống mạng của doanh nghiệp, kết nối các trạm liên lạc, hostpot, vào hệ thống Internet dến việc kết nối các điểm giao tiếp với hạ tầng viễn thông di động, backhaul) thay thế cho các thiết bị tốn kém nhưng thiếu chuẩn hóa và bị giới hạn hiện nay nhằm mang lại hiệu quả cũng như lợi nhuận cao hơn, Wimax sẽ làm một cuộc cách mạng về tốc độ cho các kết nối Internet tốc độ cao. Wimax được thiết kế mang lại sự chuẩn hóa cho công nghệ không dây băng rộng, qua đó có thể giúp các thiết bị lớn, đắt tiền hoạt động hiệu quả hơn và triển khai dịch vụ một cách đơn giản cũng như hạ thấp chi phí và gia tăng lợi nhuận cho các nhà cung cấp thiết bị hay dịch vụ. Qua Wimax các dịch vụ viễn thông sẽ đạt hiệu quả cao hơn. Công nghệ Wimax sẽ cung cấp đủ dải tần làm cơ sở để cung cấp cho nhiều dịch vụ thương mại với mức dịch vụ tương đương E1 và cho hàng trăm hộ gia đình truy cập Internet với tốc độ cao tương tự xDSL. Các quốc gia mới phát triển rất thích hợp sử dụng công nghệ đầy tiềm năng Wimax trong việc triển khai hạ tầng mạng một cách hiệu quả, nhanh chóng với giá thành hợp lý, góp phần phát triển mạng lưới viễn thông tới những vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa, những nơi khó triển khai hạ tầng cơ sở mạng dây dẫn băng rộng. Wiamx với kĩ thuật phủ sóng như điện thoại di dộng tỏ ra hữu ích trong việc kết nối đương dài mà không cần đến dây cáp mạng. Công nghệ này cũng cung cấp một đường dây dẫn lưu động băng thông lớn theo chuẩn 802.16e phù hợp với phần cứng của máy tính xách tay và những thiết bị tương lai khác, sẽ giúp việc truy nhập Internet dễ dàng và nhanh chóng khi các thiết bị này di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của các điểm truy cập WiFi. Chương 2. SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI VÀ 3G Vì hiện tại phát triển nhất là 2 công nghệ Wi-Fi và 3G nên ta có thể so sánh WIMAX với 2 công nghệ này mà thôi. Công nghệ WiFi: a. Khái niệm WiFi – Wireless Fidelity là tên gọi mà các nhà sản xuất đặt cho một chuẩn kết nối không dây (IEEE 802.11b), công nghệ sử dụng sóng vô tuyến để truyền và nhận dữ liệu, tối thiểu hóa việc kết nối sử dụng dây dẫn, thiết lập hệ thống kết nối mạng không dây. Đây là công nghệ mạng được thương mại hóa tiên tiến nhất thế giới hiện nay. b. Điểm nổi bật WiFi đặc biệt thích hợp cho nhu cầu sử dụng di động và các điểm truy cập đông người dùng. Nó cho phép người sử dụng truy cập mạng giống như khi sử dụng công nghệ mạng máy tính truyền thống tại bất cứ thời điểm nào trong vùng phủ sóng. Thêm vào đó, WiFi có độ linh hoạt và khả năng phát triển mạng lớn do không bị ảnh hưởng bởi việc thay đổi lại vị trí, thiết kế lại mạng máy tính. Cũng vì là mạng không dây nên WiFi khắc phục được những hạn chế về đường cáp vật lý, giảm được nhiều chi phí triển khai thi công dây mạng và không phải tác động nhiều tới cơ sở hạ tầng. c. Trở ngại của WiFi Giá cả là trở ngại đầu tiên đối với dịch vụ này. Chi phí ban đầu cho việc thiết lập một mạng WiFi thường tốn kém hơn nhiều so với mạng LAN thông thường. Ở Việt Nam, chi phí cho một mạng không dây, gồm tiền thuê đường mạng, 3 Access Point và khoảng hơn 40 card modem không dây cùng các thiết bị đồng bộ khác tốn khoảng gần 100.000 USD. Thực ra, chi phí này không cao hơn là bao so với việc thiết lập một mạng LAN với số người dùng tương ứng, mà theo một doanh nghiệp đang sử dụng WiFi thì trở ngại nằm ở phần thiết bị đồng bộ đi kèm. Một máy tính thông thường để kết nối vào mạng chỉ cần một đoạn dây nhỏ, còn để truy cập vào mạng không dây phải cần tới một card mạng không dây có giá từ 60 – 200 USD/cái hoặc là máy tính tích hợp sẵn công nghệ này. Công nghệ không dây đặc biệt tăng cường sức mạnh cho các thiết bị tính toán di động như máy tính xách tay, PDA hay Pocket PC. Ngoài chi phí, bảo mật thông tin đang được các nhà quản lý đặc biệt quan tâm. Do tính chất của mạng không dây là phủ sóng rộng nên nếu không có những cơ chế kiểm soát truy cập và bảo vệ thông tin hữu hiệu thì đây sẽ là môi trường tốt cho kẻ xấu thâm nhập phá hoại, đánh cắp thông tin... Một vài trở ngại nhỏ khác cũng có thể ảnh hưởng tới khả năng phổ dụng của WiFi như máy tính truy cập bằng công nghệ WiFi sẽ hao pin rất nhanh, do vậy khi sử dụng dịch vụ WiFi phải mang theo dây nguồn; phạm vi phủ sóng của WiFi bị hạn chế... Công nghệ 3G Công nghệ 3G tận dụng tần số và phần phủ sóng của mạng di động sẵn có nên vùng phủ sóng lớn nhưng hạn chế về tốc độ (384 kbit/s). Các tiêu chuẩn 3G cho công nghệ vô tuyến thế hệ thứ 3 chủ yếu tăng cường truyền cho thoại và số liệu từ 9,5 k – 2Mbit/sec.  2G là công nghệ chủ yếu cho điện thoại di động hiện tại Bao gồm : Các cuộc gọi thoại Nhắn tin nhắn đơn giản Tốc độ 10 Kbps Thời gian tải bản nhạc MP3 dài 3 phút từ 31-41 phút. Công nghệ vô tuyến 2.5 G : bao gồm : Các cuộc gọi thoại/fax Thư thoại Gửi và nhận tin nhắn thư điện tử Định vị Cập nhật Tốc độ 64-144 Kbps Thời gian tải bản nhạc MP3 dài 3 phút từ 6- 9 phút. Công nghệ vô tuyến 3 G Kết hợp giữa ĐT di động, máy tính sách tay và TV Các cuộc gọi thoại Roaming tòan cầu Gửi và nhận thư điện tử Duyệt Web tốc độ cao Định vị, định hướng. Hội nghị truyềgn hình Xem truyền hình qua mạng Ghi nhớ , nhắc nhở lịch trình điện tử. Tốc độ 144k-2 Mbps Thời gian tải bản nhạc MP3 dài 3 phút từ 11s đến 1,5 phút.  Các khả năng của 3G : Hỗ trợ chuyển mạch gói tốc độ cao 144 Kbps hoặc cao hơn cho lưu lượng di đông cao 384 Kbps cho người đi bộ 2 Mbps hoặc cao hơn cho thuê bao trong nhà Khả năng làm việc kết hợp chuyển vùng Chia sẻ thông tin và tốc độ giữa các nhà cung cấp Ghi chi tiết các cuộc gọi thông thường Hiện trạng người sử dụng Hiện tại, các mạng di động Việt Nam đang sử dụng công nghệ từ 2,5-3G. Đây là công nghệ dành cho những lớp khách hàng khác nhau, có truy nhập Internet nhưng chuyên về thoại là chính. Ngược lại, công nghệ WiMax có băng rộng hơn, lại được sử dụng chuyên truy nhập Internet có dịch vụ thoại, có tính năng thoại. Ví dụ như một số dịch vụ gia tăng dựa trên công nghệ WiMax như gọi IP Phone qua máy tính, VoIP... Nhận xét Qua những chỉ tiêu kỹ thuật và ứng dụng của các công nghệ trên đây ta có thể thấy trong tương lai gần khi công nghệ WiMax còn giá thành cao, đầu tư chưa thể nhanh được, WiFi là công nghệ dành cho vùng phủ sóng nhỏ, tốc độ cao nhưng nhiều người truy cập cùng lúc thì tốc độ sẽ giảm và như vậy, có thể chia sẻ băng thông cũng như chi phí giữa các thuê bao, chủ yếu dành cho mạng nội bộ. Công nghệ 3G vùng phủ sóng lớn dành cho một cho số ít khách hàng mà truy cập mạng là dịch vụ thứ yếu sau thoại nhưng lại cần thiết khi di động. Do đó ta có thể thấy 3 công nghệ này trước mắt sẽ cùng tồn tại và bổ xung cho nhau. Để thấy trong tương lai gần các công nghệ này cùng tồn tại : * Hãng Intel vừa công bố đã tích hợp được tính năng WiFi và WiMax trong cùng một con chip để trang bị cho máy tính xách tay. Sean Maloney, Tổng giám đốc bộ phận di động của Intel, 8/3/2006 đã trình bày kế hoạch triển khai WiMax trong Diễn đàn các nhà phát triển IDF tại San Francisco (Mỹ). Maloney khẳng định Wi-Fi và WiMax sẽ cùng xuất hiện trong vi xử lý có tên mã Ofer khoảng 3 năm tới. Khi đó, người tiêu dùng sẽ có thể dễ dàng chuyển đổi giữa các điểm truy cập hot spot và mạng khu vực. * Sự kiện Nokia tuyên bố phát triển WiMax cho điện thoại khiến không ít người thắc mắc liệu có phải hãng này không còn quan tâm đến công nghệ 3G. Tuy nhiên, nhà sản xuất Phần Lan khẳng định hai công nghệ này sẽ cùng tồn tại song song. Nokia quả quyết rằng kế hoạch phát triển mạng tốc độ cao không dây trên diện rộng WiMax với Intel không có nghĩa là hãng quay lưng lại chuẩn di động 3G bởi "trên thực tế, 3G sẽ hỗ trợ đắc lực cho WiMax và không thể hình thành một dịch vụ thay thế nó", theo lời Simon Beresford-Wylie, Phó giám đốc điều hành của Nokia. Beresford-Wylie cho biết Nokia quyết định hợp tác cùng Intel vì hãng nhận thấy WiMax là một phương tiện truyền/nhận dữ liệu quan trọng, nhưng sẽ chỉ hoạt động hiệu quả tại những nơi có dịch vụ 3G điều phối lưu thông. Nokia đã công bố kế hoạch chi thiết để tăng tốc độ truyền dữ liệu qua mạng di động lên tới ít nhất 14 Mb/giây. Bước đầu, họ sẽ bắt tay vào việc tối ưu hóa chuẩn 3G hiện tại (384 Kb/giây), để cuối năm nay, tốc độ 1 - 2 Mb/giây cho điện thoại sẽ chính thức hoạt động tại nhiều khu vực. Tiếp đó, khi 3G và WiMax đã cùng tồn tại, hãng sẽ phát triển giải pháp nâng tốc độ lên 14 Mb/giây. Chương 3. ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ WIMAX WiMax đã được tiêu chuẩn hóa ở IEEE 802.16. Hệ thống này là hệ thống đa truy cập không dây có các đặc điểm sau: Khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể lên tới 50km Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbps Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS (Line of Sigh) và đường truyền che khuất NLOS (Non line of Sigh) Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn hóa Trong WiMax hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống. Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM để truyền. OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang. WiMax sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8. 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. Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA (OFDM Access). Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (Time Division Duplexing) và FDD (Frequency Division Duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink) Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được chia thành 4 lớp: Lớp con tiếp ứng (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên, lớp 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 hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên Công nghệ WIMAX có những ưu điểm trên và có thể giải quyết những vấn đề nảy sinh trong môi trường truyền sóng NLOS nhờ sử dụng: + Kỹ thuật điều chế OFDM và OFDMA + Kênh con hóa dải tần số + Anten định hướng + Phân tập thu phát + Điều chế thích nghi + Các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi trước + Điều khiển công suất 1. Công nghệ OFDM Một trong những thách thức của thị trường Truy nhập không dây băng rộng hiện nay là khả năng triển khai và vận hành các hệ thống không dây trong khi vẫn đảm bảo hoạt động tốt, tốc độ dữ liệu cao trong nhiều khu vực có địa hình khác nhau. Yếu tố tác động đến hoạt động của các hệ thống vô tuyến chính là các chướng ngại vật tự nhiên và nhân tạo. Đó là thách thức đối với các nhà vận hành mạng hiện nay cho dù trong điều kiện NLOS (Non-Line-of-Sight) hay đa đường (Multipath). Công nghệ OFDM sẽ giải quyết những vấn đề này. OFDM-Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này có thể đạt được tốc độ dữ liệu rất cao, chống nhiễu giao thoa ký tự -ISI (Inter-symbol Interference) và giải quyết được vấn đề tín hiệu đa đường. Kỹ thuật này cũng cho phép việc truyền tin tại những khu vực mà NLOS là một yếu tố hạn chế triển khai các hệ thống vô tuyến. OFDM không phải là một công nghệ mới, nó là một sự cải tiến công nghệ được thương mại hóa và đã đáp ứng được nhu cầu của thị trường. OFDM tạo nên một nền tảng vững chắc cho các kế hoạch mạng của các nhà điều hành viễn thông để có thể thu được lợi nhuận từ một số lượng khách hàng đông đảo. a) Đa đường và những tác động của nó Đa đường (multi-path) xuất hiện trong những điều kiện mà tín hiệu truyền đi bị phản xạ (reflection), nhiễu xạ (diffraction) và tán xạ (scattering). Những điều kiện này gây ra các tia dội lại của cùng một tín hiệu tới máy thu tại cùng một thời điểm hoặc bị trễ. Đấy là do các vật chắn giữa máy phát và máy thu, làm cho máy thu phải mất thêm thời gian để xử lý để có thể xác định được tín hiệu. Máy thu sẽ loại bỏ những tín hiệu không mong muốn có hại đến hoạt động của hệ thống. Tác động của đa đường tới truyền thông không dây được biết tới là nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (Intersymbol Interference -ISI). Mỗi một ký hiệu bao gồm một số các bit tùy theo kiểu điều chế cụ thể. Do các hệ thống không dây sử dụng các ký hiệu để truyền nên một tín hiệu nào đó bị vọng lại sẽ gây nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu cho ký hiệu sắp tới. Điều chế OFDM có khả năng chống chịu được trễ trải rộng (delay spread) do hiện tượng đa đường gây ra (khoảng thời gian giữa tín hiệu đa đường đầu tiên và cuối cùng mà máy thu nhận được). OFDM cũng hạn chế được nhiễu giữa các ký hiệu-ISI bằng cách sử dụng Khoảng bảo vệ (Guard Interval – GI period) tại đoạn bắt đầu của symbol. Khoảng thời gian bảo vệ chính là phần symbol bị ảnh hưởng bởi ISI còn khoảng dữ liệu tiếp theo khaỏng bảo vệ chính là khaỏng tải tin. b) Hoạt động của OFDM Điều chế OFDM chia dải phổ sẵn có thành nhiều sóng mang con độc lập. Để đạt được điều này, các sóng mang con phải trực giao với nhau để không gây ra nhiễu giữa các sóng mang con ở vị trí gần nhau. Trong một tín hiệu OFDM, tất cả các sóng mang con được truyền đồng thời. Hai tín hiệu được gọi là trực giao khi đỉnh (peak ) của mỗi tín hiệu sóng mang con trùng với điểm không (null) của các tín hiệu khác với kết quả là một tín hiệu sóng mang con được đặt và sắp thẳng hàng. Những tín hiệu trong các sóng mang con độc lập được điều chế và giải điều chế một cách riêng rẽ. Nếu một hay hai sóng mang con bị suy giảm hay bị tác động bởi fading lựa chọn tần số (các tín hiệu ở các tần số khác nhau sẽ truyền đi với năng lượng phát ra và vận tốc khác nhau ) thì tác động này là nhỏ vì thông tin được trải trên các sóng mang con còn lại. Do truyền song song đồng thời nhiều sóng mang nên tốc độ dữ liệu sẽ rất cao. Vì tín hiệu OFDM được truyền đi trong các sóng mang con song song, các bit sửa lỗi trước (Forward Error Correction) được thêm vào các sóng mang để máy thu tái tạo lại các bit thông tin bị mất do nhiễu hay hiệu ứng đa đường. Cơ chế sửa lỗi này cho phép OFDM tăng tính tin cậy khi truyền dữ liệu. c) Những ưu điểm của hệ thống OFDM Công nghệ này thích hợp cho hệ thống tốc độ cao Thích hợp với với các dụng không dây Rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn Sử dụng dải tần hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang và giao thoa giữa các tín hiệu Giải quyết vấn đề fading bằng quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM nhờ sử dụng phép biến đổi FFT OFDM có ưu điểm nổi bật khác là khắc phục hiện tượng không có tầm nhìn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn Độ bao phủ rộng hơn và độ đâm xuyên tốt hơn, cho phép cung cấp các dịch vụ truy cập vô tuyến tới các khách hàng trước đây không được phục vụ, do vậy làm tăng doanh thu tiềm năng cho các nhà điều hành mạng và cung cấp dịch vụ. Giảm chi phí lắp đặt và hoạt động do quá trình lắp đặt đơn giản hơn, không yêu cầu các điều kiện LOS (Line-of-Sight) và vẫn đảm bảo nhu cầu cài đặt thêm các thiết bị phụ trợ bổ sung. Hiệu quả sử dụng phổ rất cao, tức là có nhiều hơn dữ liệu sẽ được truyền qua một dải thông so với các công nghệ cạnh tranh. d) Nhược điểm của hệ thống OFDM Mặc dù OFDM có rất nhiều ưu điểm như đã nêu trên, nhưng điều đó không có nghĩa là OFDM không có nhược điểm: Thứ nhất, nó đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số (InterCarrier Interference - ICI) mà kết quả là phó bỏ sự trực giao giữa các tần số sóng mang và làm tăng tỷ số bit lỗi (BER). Tuy nhiên OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi GI cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm thêm hiệu quả sử dụng phổ tần số. Thứ hai, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung, có nghĩa là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA. 2. Công nghệ OFDMA cho mạng WiMax Hoạt động truy nhập kênh OFDMA lớp MAC của WiMax hoàn toàn khác so với WiFi. WiMax hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD và TDD sử dụng kỹ thuật truy nhập TDMA/OFDMA. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép linh động thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến có thể thay đổi tốc độ phát (Upload) hoặc thu (Download) dữ liệu chứ không phải là cố định như trong ADSL hay CDMA. Trong WiFi, tất cả các trạm truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập (Access Point - AP), chính vì vậy, khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượng mạng. Ngược lại, ở lớp MAC của 802.16, lịch trình hoạt động cho mỗi thuê bao được định trước, do vậy,các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh tranh kênh truyền dẫn la thời điểm gia nhập mạng. Sau thời điểm này, mỗi trạm được trạm phát gốc gắn cho một khe thời gian. Khe thời gian có thể mở rộng hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn. Ưu điểm của việc đặt lịch trình là chế độ truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định trong trường hợp quá tải và số lượng thuê bao đăng ký vượt quá mức cho phép, và nó cũng có thể tăng được hiệu quả sử dụng băng tần. Việc sử dụng thuật toán lịch trình còn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao Để làm được điều này, hệ thống WiMax thực hiện việc mã hóa và điều chế thích nghi AMC (Adaption Modulation and Coding) để tối ưu hóa băng thông tùy thuộc vào điều kiện của kênh truyền. Đối với kênh truyền tốt (có nghĩa là tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR cao) có thể điều chế ở 64 QAM. Nơi kênh ở chất lượng thấp hơn thì giảm dần mức điều chế xuống đến QPSK. Các nghiên cứu đã chứng minh được tính ưu việt của WiMax so với WCDMA Công nghệ Số lượng thuê bao trong một trạm phủ sóng Thông lượng trung bình của mạng (Mbit/s) Thông lượng trung bình của một thuê bao (kbit/s) Trế truyền dẫn trung bình của một gói (s) OFDM 40 4,45 1802 2,33 WCDMA (MMSE) 40 3,83 1170 3,56 WCDMA (Rake) 40 3,03 490 8,54 So sánh một số tham số giữa OFDM và CDMA Kỹ thuật điều chế và mã hóa thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM vì nó cho phép tối ưu hóa mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) và chất lượng kênh truyền dẫn. Tỏng công nghệ OFDMA, các thuê bao được phân chia tài nguyên vô tuyến thông qua việc truy nhập vào các sóng mang phụ khác nhau 3. Kênh con hóa dải tần số Kênh con hóa trong đường lên là một lựa chọn trong mạng WiMax. Điều này giúp cân đối được quỹ đường truyền cho cả đường lên và đường xuống. Công suất phát sẽ tập trung vào ít hơn các sóng mang OFDM, điều này làm tăng tăng ích của hệ thống, giúp mở rộng phạm vi phủ sóng của hệ thống, tránh được suy hao che chắn, và giảm được công suất tiêu thụ của CPE. Áp dụng kênh con hóa dải tần sẽ làm cho phương thức truy nhập OFDMA tăng tính linh động trong việc sử dụng tài nguyên, hỗ trợ cho tính di động và có mặt khắp mọi nơi của hệ thống. Hình 2: Kênh con hóa dải tần 4. Anten cho các ứng dụng vô tuyến cố định Anten định hướng với hệ số tăng ích lớn làm tăng tính sẵn sàng của tuyến so với các loại anten omni thông thường. Khoảng trễ cũng được giảm đáng kể do sử dụng anten định hướng tại cả BS và CPE. Các hệ thống anten thích nghi AAS (Adaptive Antena System) là một phần lựa chọn của tiêu chuẩn IEEE 802.16. AAS có khả năng điều chỉnh búp sóng chỉ tập trung vào một hướng nhất định hoặc cũng có thể tập trung vào nhiều hướng. Điều này có nghĩa là trong khi phát tín hiệu được giới hạn theo một hướng nhất định của phía thu, giống như một điểm sáng. Còn khi thu, hệ thống AAS có thể chỉ tập trung vàp một hướng có tín hiệu mong muốn. AAS cũng có khả năng giảm nhiễu đồng kênh từ các vị trí khác. AAS được coi là sự phát triển của tương lai, có khả năng cải thiện tỷ lệ tái sử dụng phổ tần và khả năng của một mạng WiMax. 5. Phân tập thu phát Phương pháp phân tập được sử dụng là một phương pháp hiệu quả triệt nhiễu đa đường và tín hiệu phản xạ thường xảy ra trong môi trường truyền dẫn NLOS. Phân tập là một tham số lựa chọn trong WiMax. Những thuật toán phân tập do WiMax đề xuất cho cả phía phát và phía thu làm tăng khả năng của hệ thống. Lựa chọn phân tập phát WiMax sử dụng mã hóa thời gian không gian, làm giảm quỹ dự trữ yêu cầuvà tránh nhiễu. Đối với phân tập phát, rất nhiều các phương pháp kết hợp để cải thiện khả năng của hệ thống. Ví dụ, phương pháp tối đa tỷ lệ phối hợp MRC tận dụng ưu điểm của hai anten thu riêng rẽ giúp trnáh pha đinh và làm giảm nhiễu đường truyền. Phân tập được coi là một công cụ hiệu quả trong môi trường truyền dẫn NLOS. 6. Điều chế thích nghi Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMax điều chỉnh được phương pháp điều chế tín hiệu dựa trên điều kiện SNR của tuyến. Khi tuyến truyền dẫn có chất lượng tốt, kiểu điều chế cao nhất được sử dụng, làm tăng dung lượng cho hệ thống. Khi tuyến ở mức chất lượng thấp hơn, hệ thống WiMax có thể chuyển sang một kiểu điều chế thấp hơn để đảm bảo chất lượng kết nối và độ ổn định của tuyến. Khả năng này cho phép hệ thống tránh được pha đinh lựa chọn thời gian. Điểm mấu chốt của điều chế thích nghi là khả năng tự điều chỉnh để phù hợp với mọi điều kiện môi trường truyền sóng Hình 3: Kỹ thuật điều chế và bán kính cell 7. Các kỹ thuật sửa lỗi trước Các kỹ thuật sửa lỗi trước được áp dụng trong hệ thống WiMax để giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu. Mã hóa sửa lỗi trước (FEC – Forward Error Correction) Reed Solomon, mã hóa xoắn các thuật toán chèn ký tự được sử dụng để phát hiện và sửa lỗi nhằm cải thiện thông lượng của hệ thống. Những kỹ thuật sửa lỗi hiệu quả này giúp khôi phục lại những lỗi do pha đinh lựa chọn tần số gây ra hoặc các lỗi burst. Yêu cầu gửi lại tự động được sử dụng để sửa những lỗi mà FEC không sửa được bằng cách gửi lại thông tin bị lỗi. Với những kỹ thuật này WiMax cải thiện được đáng kể tham số BER 8. Điều khiển công suất Các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải thiện đặc tính của toàn hệ thống. Trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới mỗi CPE để định mức công suất và do vậy mức công suất thu được tại trạm gốc ở mức đã định trước. Trong môi trường pha đinh thay đổi, CPE chỉ phát ở mức công suất vừa đủ yêu cầu. Mức công suất phát yêu cầu cho mỗi CPE được xác lập tương ứng với trường hợp xấu nhất. Điều khiển công suất sẽ làm giảm công suất tiêu thụ của CPE và nhiễu cho các trạm gốc lân cận. Đối với LOS, công suất phát của CPE gần tỷ lệ với khoảng cách từ CPE tới trạm gốc. Đối với NLOS, công suất cảu CPE lại chủ yếu phụ thuộc vào mức độ che chắn và sự hấp thụ của môi trường. Chương 4. BẢO MẬT TRONG WIMAX Khác với các chuẩn không dây băng rộng khác, 802.16 thiết kế hẳn một lớp con bảo mật, lớp này làm cung cấp các cơ chế điều khiển truy nhập tin cậy, đảm bảo an toàn cho dữ liệu trên đường truyền. 802.16 chống lại việc truy cập trái phép các dịch vụ bằng việc mã hóa các luồng dịch vụ. Nó có các giao thức quản lí khóa tại BS để thực hiện chứng thực và cấp phát các khóa tới SS cần thiết. Trong quá trình thượng lượng về bảo mật giữa SS và BS, nếu một SS không cung cấp các cơ chế bảo mật của 802.16 thì các bước chứng thực và cấp phát khóa sẽ được bỏ qua. BS nếu chấp nhận điều đó thì sẽ vẫn cho phép SS được truyền dữ liệu, ngược lại BS sẽ không cho phép. Chỉ có hai loại kết nối được bảo vệ trong 802.16 là các kết nối vận chuyển và kết nối thứ cấp. Các kết nối quản lí, điều khiển khác không cần phải bảo vệ. Trong bảo mật 802.16 có hai loại giao thức chính. Giao thức xử lí đóng gói, mã hóa. Giao thức này làm các nhiệm vụ như: định nghĩa hệ thống mã hóa, kết hợp giữa mã hóa dữ liệu và chứng thực, xử lí các MAC PDU. Một giao thức quản lí khóa gọi là PKM cung cấp cơ chế phân phối khóa từ BS tới SS. Thông qua giao thức này, BS và SS có thể đồng bộ khóa với nhau. BS sử dụng giao thức này để thực thi các điều kiện truy nhập vào mạng. 1. Security Association (SA) SA là tập hợp các thông tin dùng chia sẻ giữa BS và SS nhằm đảm bảo tính an toàn trong trao đổi. SA làm nhiệm vụ duy trì trạng thái bảo mật của một kết nối. Có hai loại SA là SA cho dữ liệu (DSA) và SA cho chứng thực (ASA) nhưng 802.16 chỉ định nghĩa DSA, loại SA được dùng để bảo vệ các kết nối chuyển vận giữa các SS và BS. Có ba loại DSA là loại DSA chính, loại DSA tĩnh và loại DSA động. DSA chính được thiết lập trong suốt quá trình khởi tạo. DSA tĩnh được cấu hình sẵn trên BS, DSA động được đặt tùy vào các kết nối. Cả DSA tĩnh và DSA động đều có thể được sử dụng bởi nhiều SS. DSA bao gồm các dữ liệu sau: SAID được dùng để chỉ định tới SA, SAID có độ dài 16bit. Giá trị SAID của DSA chính sẽ bằng với CID của kết nối cơ bản. Thuật toán dùng để trao đổi dữ liệu. Ví dụ như DES. Hai khóa TEK để mã hóa mã hóa dữ liệu: một để sử dụng, một để dự phòng. Một chỉ số của TEK Một tham số về thời gian sử dụng của TEK, giá trị mặc định là nửa ngày, giá trị nhỏ nhất là 30 phút và lớn nhất là 7 ngày. Một IV 64 bit cho TEK Một tham số định nghĩa loại SA. Để bảo mật một kết nối chuyển vận, SS trước hết phải khởi tạo ra một DSA. Nhiều kết nối có thể chia sẻ chung SA, khả năng này dùng để cung cấp các dịch vụ multicast. Ngay sau khi SS tham gia vào mạng, một SA cũng sẽ được tạo ra trên kết nối thứ cấp. Như vậy, SS thông thường sẽ có hai hoặc ba SA: một SA cho kết nối thứ cấp, một SA cho kết nối chuyển vận đường lên, một SA cho kết nối chuyển vận đường xuống. Có một số quy tắc ánh xạ một kết nối vào các DSA. Tất cả các kết nối chuyển vận sẽ được ánh xạ vào một DSA đã được công nhận. Các kết nối multicast có thể được ánh xạ vào bất cứ DSA tĩnh hoặc động nào. Các kết nối thứ cấp sẽ được ánh xạ vào DSA chính. Các kế nối cơ bản và sơ cấp sẽ không được ánh xạ, chúng không cần bảo mật 2. Giao thức quản lí khóa PKM Chứng chỉ điện tử X.509 X.509 là một chuẩn về chứng chỉ điện tử của ITU, hoạt động dựa vào cơ chế mã hóa công cộng. Nó gồm có một khóa công cộng và địa chỉ MAC mà đã được nhà sản xuất ghi ngay lên thiết bị. Khóa cấp phép AK AK được BS cấp cho SS ngay sau khi SS được chấp nhận. Cả BS và SS đều biết AK. Về phía BS, AK được dùng để thực thi các thuật toán đảm bảo tính toàn vẹn các thông tin trong quá trình trao đổi khóa và mã hóa khóa TEK để gửi cho SS, tức là AK chứa KEK. Về phía SS, AK cũng được dùng để giải mã, đảm bảo tính toàn vẹn các thông tin yêu cầu gửi tới BS cũng như để giải mã khóa TEK. AK có thể coi là khóa cũng có thể coi là tập hợp các thông tin để khởi tạo nên một phiên trao đổi thông tin an toàn. Khóa KEK Khóa bắt nguồn từ AK, cả BS và SS đều nắm được khóa này, được dùng để mã hóa và giải mã khóa TEK. Là khóa đối xứng. Khóa TEK TEK được dùng để mã hóa và giải mã luồng dữ liệu trao đổi giữa BS và SS. Là khóa đối xứng. Để nâng cao độ an toàn, các khóa trên không phải là cố định mà chúng sẽ có một thời gian sống riêng. Thời gian sống của các khóa có thể thay đổi tùy cầu hình từ BS và SS. Một SS sẽ sử dụng giao thức PKM để nhận được sự cấp phép và các khóa từ BS. Giao thức này sử dụng chứng chỉ điện tử X509, thuật toán mã hóa RSA cùng một loạt thuật toán mã hóa khác để trao đổi khóa giữa BS và SS. PKM cũng làm việc theo mô hình client/server, ở đó SS (client) yêu cầu các thông tin về khóa và BS (server) sẽ đáp trả các yêu cầu này. PKM sẽ sử dụng các bản tin quản lí. PKM sử dụng cơ chế mã hóa công cộng để thiết lập nên một cơ sở bảo mật riêng giữa SS và BS. BS sẽ chứng thực SS trong quá trình khởi tạo sự cấp phép cho SS. Mỗi SS sẽ mang một chứng chỉ điện tử duy nhất X.509. Tiến trình cấp phép cho SS và trao đổi khóa AK Tiến trình chứng thực sử dụng các thông tin mà nhà sản xuất ghi sẵn lên thiết bị. Tiến trình này BS thực hiện các việc: nhận dạng SS, BS cung cấp cho SS thông tin AK, SAID…. SS bắt đầu chứng thực bằng cách gửi một bản tin chứng thực tới BS, gọi là bản tin AI (Authorization Information). Bản tin chứng thực này là các thông tin về X.509 của nhà sản xuất thiết bị. AI hoàn toàn mang tính chất thông tin, BS có thể nhận nó hoặc lờ đi. Tuy nhiên, AI là bản tin chứa toàn bộ những thông tin cần thiết về thiết bị và nhà sản xuất. Ngay sau đó SS gửi một bản tin yêu cầu chứng thực là Authorization Request tới BS. Yêu cầu này gồm có các thông tin như: X.509, bản mô tả các thuật toán mã hóa chứng thực mà SS có thể sử dụng, CID của kết nối cơ bản (CID này được BS cấp cho SS trước đó) hay cũng chính là SAID. BS nhận yêu cầu, thông qua các nhận dạng của SS để xem có cần chứng thực cho SS hay không, ví dụ như chứng chỉ điện tử SS đưa ra đã được cấp phép chưa, có đúng chuẩn không. Nếu có, BS xác định các thuật toán sẽ được sử dụng chung với SS, kích hoạt AK cho SS, mã hóa AK bằng khóa công cộng Bản thân khóa công cộng này là một phần của X.509 của SS và gửi trả các thông tin này cho SS. Bản tin gửi trả này gọi là Authorization Reply. Authorization Reply gồm các dữ liệu sau: AK đã được mã hóa, một chỉ số của khóa, thời gian sống của khóa, các SAID của SA chính và SA tĩnh. Các yêu cầu chứng thực cũng sẽ được thực hiện lại theo chu kì, nhưng trong các lần sau, bản tin AI sẽ không cần phải gửi. Hình .12 mô tả quá trình chứng thực Hình 4: Quá trình cấp phép và trao đổi khóa AK Tiến trình trao đổi khóa TEK Sau khi SS được cấp phép và nhận được AK, SS sẽ gửi đến BS bản tin yêu cầu (Key Request) về khóa TEK, mỗi SAID sẽ có một cơ chế yêu cầu riêng. BS sẽ gửi trả SS bản tin (Key Reply) chứa thông tin về khóa này. Nội dung của khóa TEK được mã hóa bởi khóa KEK, một khóa đối xứng. SS sẽ nhận được và dùng KEK để giải mã ra khóa TEK. Hình 5: Quá trình trao đổi khóa TEK Từ đây quá trình trao đổi các gói tin sẽ được mã hóa sẽ thông qua TEK. 3. Mã hóa DES là thuật toán mã hóa đối xứng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay và nó cũng được sử dụng trong 802.16. Mã hóa trong 802.16 gồm mã hóa khóa TEK và mã hóa các luồng dữ liệu. TEK được mã hóa và giải mã bởi thuật toán 3-DES và khóa KEK. 3-DES thực chất vẫn là DES nhưng được cải tiến thêm bằng cách mã hóa ba lần nhằm tăng tính bảo mật cho khóa TEK Đối với dữ liệu, thuật toán được sử dụng là DES. DES sử dụng TEK là khóa để mã hóa các tải của MAC PDU. Hình 6: Mối quan hệ giữa tải trước khi mã hóa và sau khi mã hóa Hình trên thể hiện tải trước khi mã hóa và sau khi mã hóa. Hai trường được thêm vào sau khi mã hóa là PN (Packet Number) và ICV (Integrity Check Value). PN là giá trị có độ dài 4 byte, cũng coi như chỉ số của MAC PDU được mã hóa. Giá trị này kết hợp với TEK để tạo thành một cặp giá trị (PN, TEK) duy nhất trong toàn bộ phiên truyền. Khi TEK được khởi tạo, PN sẽ bắt đầu từ giá trị 0. Và PN tăng dần lên theo từng MAC PDU. Khi PN đạt giá trị lớn nhất là 0x7FFFFFFF, TEK sẽ được khởi tạo lại một giá trị mới. ICV là trường 8 byte để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu của tải. Hình dưới đây minh họa quá trình mã hóa trong 802.16 Hình 7: Quá trình mã hóa Thông số đầu vào cho thuật toán mã hóa DES là tải, IV, TEK và một số trường để đồng bộ lớp PHY. Đầu ra là tải được mã hóa, cùng với các một số trường trong tiêu đề MAC bị thay đổi như EC, EKS(chỉ số của TEK được sử dụng). CRC cũng sẽ được tính toán lại để phù hợp với tải mới. Theo chuẩn mới nhất 802.16-2004 thì thuật toán mã hóa tiên tiến AES cũng đã được hỗ trợ. TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng thông tin di động –Tiến sĩ Phạm Công Hùng Bài giảng Vi ba số dành cho Cao học –Tiến sĩ Phạm Công Hùng IEEE 802.16a-2003: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems A Technical Overview and Comparison of WiMax and 3G Technologies, Demcember 2004 – Intel – Technical White Paper IEEE 802.16a Standard and WiMax Igniting Broadband Wireless Access – White paper IEEE 802.16-2004: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems