CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access – Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ truy nhập không dây băng thông rộng mới, dựa trên chuẩn IEEE 802. WiMax gần giống với Wi- Fi nhưng được cải thiện khá nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mb/giây với phạm vi hoạt động 2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo lánh. Công nghệ Wimax dựa trên các chuẩn, cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và DSL.
Wimax cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ) và di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) trực tiếp tới một trạm gốc. Trong bán kính của một cell điển hình từ 3km đến 10km, các hệ thống đã được Diễn đàn Wimax (Wimax Forum) chứng nhận sẽ có công suất lên tới 40Mbit/s mỗi kênh cho các ứng dụng truy cập cố định và mang xách được. Wimax cho phép đủ băng thông để đồng thời hỗ trợ hàng trăm doanh nghiệp với kết nối tốc độ T1 và hàng ngàn hộ dân với kết nối tốc độ DSL. Tương lai, năm 2007 công nghệ Wimax được kết hợp vào trong các máy tính xách tay và các PDA cho phép các khu vực nông thôn và thành phố trở thành “các khu vực đô thị” để truy cập vô tuyến băng rộng ngoài trời cho các thiết bị di động.
Công nghệ Wimax đem lại giải pháp cho nhiều ứng dụng băng rộng tốc độ cao cùng thời điểm với khoảng cách xa và cho phép các nhà khai thác dịch vụ hội tụ tất cả trên mạng IP để cung cấp các dịch vụ “3 cung”: dữ liệu, thoại và video. Học viên: Vũ Thị Như Quỳnh Cao Học ĐTVT khóa 2004 - 2006 Wimax và an ninh mạng 12 Công nghệ Wimax, dựa trên chuẩn giao diện vô tuyến IEEE 802.16-2004 đã nhanh chóng khẳng định vai trò chính trong mạng mạng vô tuyến băng rộng cố định ở các vùng đô thị lớn. Tháng 12 năm 2005 IEEE công bố chuẩn 802.16e, bản chỉnh sửa của chuẩn 802.16e đã bổ sung thêm một số tính năng cần thiết để hỗ trợ thêm tính di động trong Wimax. Công nghệ Wimax là giải pháp băng rộng vô tuyến cải thiện vùng phủ sóng cho mạng băng rộng cố định và băng rộng di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng và cấu hình mạng cố định.
Diễn đàn Wimax có nhiệm vụ định nghĩa các đặc tả dành cho lớp vật lý (PHY), tầng MAC đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả những triển khai Wimax. Hình 1-1: Mô hình tham chiếu của 802.16 Học viên: Vũ Thị Như Quỳnh Cao Học ĐTVT khóa 2004 - 2006 Wimax và an ninh mạng 13 1. MÔ TẢ LỚP VẬT LÝ 1.1 Đặc điểm lớp vật lý 1.1 Băng tần truyền dẫn Lớp vật lý Wimax hoạt động ở ba dải băng tần truyền dẫn chính sau: - Dải băng tần cấp phép 10-66GHz: Ứng dụng trong môi trường truyền dẫn tầm nhìn thẳng (LOS). Trong dải băng tần này sử dụng bước sóng ngắn, băng thông 25MHz hoặc 28MHz, cung cấp ứng dụng tốc độ 120Mb/s, phù hợp với các ứng dụng điểm đa điểm (PMP) ở các cơ quan/ trường học, khu vực dân cư nhỏ.
- Dải băng tần dưới 11GHz: Ứng dụng trong môi trường truyền dẫn tầm nhìn thẳng (LOS) và không cần thiết trong tầm nhìn thẳng (NLOS). Trong dải băng tần này sử dụng bước sóng dài hơn, hỗ trợ một số đặc tính như kỹ thuật quản lý nguồn, làm giảm nhiễu giao thoa (interference) và sử dụng đa anten. - Dải băng tần không cấp phép dưới 11GHz (5-6GHz): hạn chế nhiễu giao thoa và giảm sự bức xạ nguồn (radiated power). Lớp vật lý và lớp MAC hỗ trợ kỹ thuật lựa chọn tần số động (DFS: Dynamic Frequency Selection) phát hiện và tránh nhiễu giao thoa.
Các băng tần được Diễn đàn Wimax tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý tần số các nước phân bổ cho Wimax là: 3600-3800MHz, 3400- 3600MHz (băng 3,5GHz), 3300-3400MHz (băng 3,3GHz), 2500-2690MHz (băng 2,5GHz), 2300-2400MHz (băng 2,3GHz), 5725-5850MHz (băng 5,8GHz), 700-800MHz (dưới 1GHz). Do vậy, Học viên: Vũ Thị Như Quỳnh Cao Học ĐTVT khóa 2004 - 2006 Wimax và an ninh mạng 14 có thể sử dụng băng tần này cho Wimax. Các hệ thống Wimax ở băng tần này sử dụng chuẩn 802.16-2004 để cung cấp các ứng dụng cố định và nomadic, độ rộng phân kênh là 3,5MHz hoặc 7MHz, chế độ song công TDD hoặc FDD. Đối với Việt Nam, băng tần này được ưu tiên dành cho hệ thống vệ tinh Vinasat nên hiện tại không thể triển khai cho Wimax.
- Băng 3600-3800MHz: Băng này được một số nước Châu Âu xem xét để cấp cho WBA. Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3,7-3,8GHz) đang được nhiều hệ thống vệ tinh viễn thông sử dụng (đường xuống băng C), đặc biệt là ở khu vực Châu Á, nên ít khả năng băng tần này sẽ được chấp nhận cho Wimax ở Châu Á. - Băng 3300-3400MHz (băng 3,3GHz): Băng tần này đã được phân bổ ở Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam đang xem xét phân bổ chính thức. Do Ấn Độ và Trung Quốc là hai thị trường lớn, nên dù chưa có nhiều nước cấp băng tần này cho WBA, nhưng thiết bị Wimax băng tần này cũng đã được sản xuất.
Chuẩn Wimax ở băng tần này tương tự như với băng tần 3,5GHz: cung cấp các ứng dụng Wimax cố định, chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộng kênh 3,5MHz hoặc 7MHz. - Băng 2500-2690MHz (băng 2,5GHz): Băng tần này được Diễn đàn Wimax ưu tiên lựa chọn cho Wimax di động theo chuẩn 802. Có hai lý do cho sự lựa chọn này: thứ nhất, so với các băng trên 3GHz điều kiện truyền sóng của băng tần này thích hợp cho các ứng dụng di động; thứ hai, khả năng băng tần này sẽ được nhiều nước cho phép sử dụng WBA bao gồm cả Wimax. Wimax ở băng tần này có độ rộng kênh là 5MHz, chế độ song công TDD, FDD.
- Băng 2300-2400MHz (băng 2,3GHz): Băng 2,3GHz cũng có đặc tính truyền sóng tương tự như băng 2,5GHz nên băng tần này được diễn đàn Học viên: Vũ Thị Như Quỳnh Cao Học ĐTVT khóa 2004 - 2006 Wimax và an ninh mạng 15 Wimax xem xét cho Wimax di động. Hiện có một số nước phân bổ băng tần này cho WBA như Hàn Quốc, Australia, Mỹ, Canada, Singapore. Singapore đã cho đấu thầu 10 khối 5MHz trong dải 2300-2350MHz để sử dụng cho WBA với các điều kiện tương tự như với băng 2,5GHz. Australia chia thành các khối 7MHz, không quy định cụ thể về công nghệ hay độ rộng kênh, ưu tiên cho ứng dụng cố định.
Mỹ chia thành 5 khối 10MHz, không quy định cụ thể về độ rộng kênh, cho phép triển khai cả TDD và FDD. Đối với Việt Nam đây cũng băng tần 2,3GHz có khả năng sẽ được sử dụng để triển khai WBA/Wimax. - Băng 5725-5850MHz (băng 5,8MHz): Băng tần này được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz, 5250-5350MHz), vốn thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà. Băng tần này thích hợp để triển khai Wimax cố định, độ rộng phân kênh 10MHz, sử dụng phương thức song công TDD, không sử dụng FDD.
- Băng dưới 1GHz: Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốc cần sử dụng càng ít, tức mức đầu tư cho một hệ thống thấp đi. Vì vậy, diễn đàn Wimax cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới 1GHz, đặc biệt là băng 700-800MHz. Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phương nên các kênh trong dải 470- 806MHz dành cho truyền hình được sử dụng dày đặc cho các hệ thống truyền hình tương tự. Hiện chưa có lộ trình cụ thể nào để chuyển đổi các hệ thống truyền hình tương tự này sang truyền hình số, nên chưa thấy có khả năng có băng tần để cấp cho WBA/Wimax ở đây.
Học viên: Vũ Thị Như Quỳnh Cao Học ĐTVT khóa 2004 - 2006 Wimax và an ninh mạng 16 1.2 Chế độ truyền dẫn Đặc điểm lớp vật lý Wimax hỗ trợ cả hai kiểu truyền dẫn TDD, FDD và cho phép phương thức bán song công HD-FDD (half duplex - FDD). Chế độ truyền dẫn TDD, đường lên và đường xuống sử dụng cùng tần số và chia sẻ thời gian bằng việc gán các khe thời gian cho phương thức phát và nhận, TDD chỉ hỗ trợ phương thức truyền dẫn bán song công. FDD yêu cầu hai phổ tần riêng rẽ cho truyền dẫn đường lên và đường xuống. FDD có thể hỗ trợ phương thức truyền dẫn song công và bán song công.
Trong băng tần cấp phép hỗ trợ cả hai chế độ truyền dẫn TDD và FDD, HD-FDD. Trong băng tần không cấp phép chỉ hỗ trợ chế độ truyền dẫn TDD.2 Sơ đồ khối quá trình truyền - nhận tin Hình 1-2: Quá trình truyền-nhận tin Thông tin của lớp vật lý sẽ được nhồi vào các symbol. Quá trình truyền dữ liệu bao gồm các quá trình mã hóa kênh, điều chế OFDM thành các symbol và điều chế cao tần. Cụ thể: Học viên: Vũ Thị Như Quỳnh Cao Học ĐTVT khóa 2004 - 2006 Wimax và an ninh mạng 17 • Mã hóa kênh Mã hoá kênh gồm quá trình ngẫu nhiên hóa, quá trình mã hóa sửa lỗi FEC và quá trình xen kẽ.
Quá trình ngẫu nhiên hóa Quá trình ngẫu nhiên hoá thực hiện giả ngẫu nhiên chuỗi bit tín hiệu đầu vào. Chuỗi bit đầu vào sẽ được biến đổi sao cho xác suất xuất hiện các bit 0 và 1 tương đương nhau, tránh hiện tượng quá nhiều bit 0 hoặc bit 1 cùng xuất hiện liên tiếp, tránh hiện tượng mất xung đồng bộ. Nhưng quá trình này có chu kì lặp lại nên trong một khoảng thời gian nhất định thì coi nó là ngẫu nhiên. Ưu điểm của quá trình ngẫu nhiên hoá: - Đảm bảo được sự đồng bộ với bên thu, đồng hồ bên thu sẽ dễ dàng được khôi phục, qua đó vấn đề giải điều chế cũng dễ hơn.
- Đảm bảo an ninh cho tín hiệu, đối với các thiết bị mà không có được bộ giải điều chế ngẫu nhiên thì các tín hiệu này giống như các tín hiệu nhiễu, tạp (xác suất bit 1 và 0 là ngang nhau), nó sẽ không thu nhận được. Quá trình mã hóa sửa lỗi Quá trình mã hóa thực hiện sửa lỗi trong trường hợp các bit bị hỏng, bị sai trên đường truyền.