CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ WIMAX WiMAX, viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access – hay IEEE 802.16 – wireless microwave access – truy cập vô tuyến sóng cực ngắn, là công nghệ không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.16 cung cấp kết nối Internet băng thông rộng chocả mạng cố định và di động ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm – đa điểm (PMP – point to multipoint) cho tới kết nối dạng lưới (mesh) Công nghệ mạng WiMAX phát triển qua bốn giai đoạn, dù không phân chia rõ ràng hoặc tuần tự: (1) hệ thống lặp cục bộ không dây, (2) hệ thống băng thông rộng truyền thẳng LOS – Line of Sight, (3) hệ thống băng thông rộng không truyền thẳng NLOS – non Line of Sight, (4) hệ thống không dây băng thông rộng dựa trên các chuẩn. [03] Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn được gọi là WirelessMAN. Truyền thông trong WiMAX là hướng kết nối.
Tất cả dịch vụ từ lớp vật lý lên WiMAX MAC, bao gồm những dịch vụ kết nối, là những mô hình kết nối giữa SS (Subscriber Station) và BS (Base Station) trong lớp MAC. Một SS có thể có nhiều kết nối đến BS với mục đích cung cấp nhiều dịch vụ đến người sử dụng. Kết nối được xác định bằng 16-bit (CIDs), tạo điều kiện thuận lợi dải thông cho kết nối và sự hỗ trợ QoS trong môi trường kết nối không dây tự động.1: Mô hình mạng WiMAX trong chế độ PMP 1.1 GIỚI THIỆU WIMAX 1.1 Lịch sử phát triển IEEE 802.16 – 2001: Chuẩn WiMAX đầu tiên được thông qua vào tháng 10/2001, xác định mạng truyền không dây băng thông rộng từ điểm tới đa điểm với mục đích cho phép triển khai nhanh chóng và rộng rãi các hệ thống vô tuyến băng thông rộng với chi phí hiệu quả thay thế truy nhập băng thông rộng có dây, đảm bảo LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 khả năng tương thích giữa các thiết bị khác nhau, dải tần hoạt động từ 10 GHz đến 66 GHz, khoảng cách 2-7km. Nhược điểm là chỉ dùng trên đường truyền thẳng LOS (Light Of Sight).16a: bổ sung thêm dải tần số 2-11 GHz, giúp việc truyền sóng trong môi trường có vật cản và bị che khuất dễ dàng hơn, bổ sung các kỹ thuật cho lớp vật lý giúp tối ưu kênh truyền theo băng tần ứng dụng.16b: hoạt động trên dải tần số 5-6 GHz, cung cấp các dịch vụ với chất lượng cao, như ứng dụng truyền video, audio, real-time.16-2004: mở rộng các đặc điểm kĩ thuật của WiMAX ở dải tầng số 2–11 GHz, mô tả hệ thống WiMAX và sự phù hợp tiêu chuẩn đến môi trường mạng không dây tự động, thích ứng kiểu mạng lưới mà trong đó một thiết bị cuối có thể liên lạc với BS thông qua thiết bị cuối khác, giúp mở rộng vùng phủ sóng của BS.
Chuẩn này hỗ trợ cả hai phương thức truyền song công phân chia theo tần số (FDD - Frequency Division Duplexing) và truyền song công phân chia theo thời gian (TDD - Time Division Duplexing). Điểm nổi bật của phiên bản này là sự ghép nối của các đơn vị giao thức dữ liệu (PDU – Protocol Data Unit) với các đơn vị dịch vụ dữ liệu (SDU – Service Data Unit).16e – 2005: được hoàn thiện năm 2005, dựa trên nền tảng WiMAX cho các ứng dụng di động, thường được biết đến với tên gọi “Mobile WiMAX”. Phiên bản này đưa ra phương pháp điều chế, đa truy nhập sử dụng công nghệ OFDMA cho phép các tín hiệu có thể chia thành nhiều kênh con khác nhau (subchannelization) nhằm giảm thiểu nhiễu đa đường. Đa lựa chọn cho mô hình MAC, song công (kép, duplexing), băng tần hoạt động, … Nhiều chuẩn được phát triển phù hợp đa dạng ứng dụng và các kịch bản phát triển, và cung cấp một loạt các lựa chọn thiết kế cho các nhà phát triển hệ thống.
Có thể nói rằng, IEEE 802.16 là một tập hợp của các chuẩn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Kiến trúc WiMAX Hình 1.2: Kiến trúc mạng WiMAX Kiến trúc mạng WiMAX về cơ bản gồm hai phần: 1.1Trạm gốc Trạm gốc(BS – Base Station) được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể nối tới BS khác như một trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line Of Sight). Do đó, WiMAX có vùng phủ sóng rộng lớn. Trạm BS có các chức năng như: - Tiếp nhận các kết nối và giao tiếp với các thiết bị đầu cuối.
- Cho phép số lượng lớn lên tới vài ngàn phiên kết nối đồng thời. - Khả năng tương thích cao với nhiều thiết bị đầu cuối. - Khoảng cách kết nối lên đến 50km với tốc độ băng thông tối đa 70Mbps.2Trạm thuê bao(SS –Subscriber Station) Trạm thuê bao (SS –Subscriber Station) là các angten nhỏ kết nối với thiết bị thu đặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX hoặc các card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di động. Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ việc truyền dữ liệu đến các SS.
Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông trực tiếp giữa hai thiết bị đầu cuối của trạm thuê bao SS với nhau. Kết nối giữa BS và các SS sẽ gồm một kênh uplink và 1 kênh downlink. Kênh uplink sẽ chia sẻ băng thông cho nhiều SS trong khi kênh downlink có đặc điểm cung cấp thông tin quảng bá (broadcast). Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và BS, thông tin sẽ được trao LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 đổi trên băng tầng cao.
Ngược lại, thông tin sẽ được truyền trên băng tầng thấp để chống nhiễu.2 CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX Hình 1.3: Các đặc tính nổi bật của công nghệ WiMAX - Khả năng mở rộng băng thông và hỗ trợ tốc độ dữ liệu: tốc độ lớp vật lý có thể đạt 74 Mbps trong khi hệ điều hành sử dụng phổ rộng 20MHz, 25Mbps cho download, 6.7Mbps cho upload. Linh hoạt phân bố tài nguyên sử dụng trên cả đường truyền uplink và đường downlink. - Hỗ trợ chất lượng dịch vụ: lớp MAC trong WiMAX là kỹ thuật hướng kết nối, được thiết kế để hỗ trợ đa ứng dụng bao gồm giọng nói, video, các dịch vụ đa truyền thông. MAC WiMAX được thiết kế hỗ trợ đa người dùng với nhiều kết nối trên thiết bị, với mỗi yêu cầu QoS khác nhau.
- Bảo mật mạnh mẽ: bằng cách mã hóa đường truyền giữa BS và SS, sử dụng chuẩn mã hóa nâng cao (Advanced Encryption Standard – AES), giao thức quản lý key và tính riêng tư với kỹ thuật xác thực dựa trên Giao thức xác thực mở rộng (Extensible Authentication Protocol – EAP), với định danh, username/password, xác nhận số, smart cards. WiMAX cũng hỗ trợ VLAN (Virtual LAN – mạng LAN ảo), cung cấp khả năng bảo vệ dữ liệu khi đang được truyền giữa những người sử dụng khác nhau trên cùng BS. - Hỗ trợ cho di động: hỗ trợ sự liền mạch an toàn cho các ứng dụng di động chịu chậm trễ, như VoIP. Khi SS đăng ký thành công trong cơ sở dữ liệu hệ thống của BS, SS sẽ được cấp kết nối, nó sẽ tự nhận dạng và xác định các đặc tính của đường kết nối với BS.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 16 - Kỹ thuật dựa trên IP: WiMAX dựa trên nền tảng IP, tất cả các thiết bị đầu cuối được cung cấp trên kỹ thuật IP trên giao thức dựa trên IP để vận chuyển end to end, QoS, quản lý phiên, bảo mật và di động. - Hỗ trợ TDD và FDD: chuẩn IEEE 802.16-2004 và chuẩn IEEE 802.16-2005 hỗ trợ cả phân chia duplexing theo thời gian và theo tần suất. Tất cả các cấu hình ban đầu dựa trên TDD do linh hoạt khi chọn tỷ lệ tốc độ dữ liệu up/down, khả năng khai thác kênh hai chiều thuận tiện, và thiết kế thu phát ít phức tạp. - Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ: WiMAX hỗ trợ hai chế độ vận hành: Sleep Mode (giai đoạn trước khi trao đổi thông tin với trạm gốc, cho phép máy trạm tối thiểu năng lượng tiêu thụ và tối thiểu tài nguyên trạm BS) và Idle Mode (cung cấp cơ chế cho máy trạm để sẵn sàng một cách định kỳ nhận bản tin quảng bá mà không cần đăng ký với trạm BS xác định nào khi máy trạm di chuyển trong môi trường được phủ sóng bởi nhiều trạm BS).3 ỨNG DỤNG CỦA WIMAX - Truy cập Internet tốc độ cao: với các đặc tính kỹ thuật WiMAX hoàn toàn có thể thay thế mạng truyền dữ liệu có dây ADSL.
Đặc biệt, WiMAX rất hữu ích để cung cấp dịch vụ băng thông rộng ở những vùng xa xôi khó khăn để triển khai mạng có dây, hoặc với người dùng di động. - Dịch vụ VoIP: với sự phát triển của mạng không dây băng thông rộng, người dùng có thể thực hiện các cuộc gọi thông qua địa chỉ IP chỉ cần có thiết bị di động cầm tay hỗ trợ kết nối bằng WiMAX. - Trao đổi dữ liệu – chia sẻ tài nguyên: mạng diện rộng WAN để chia sẻ thông tin, tài nguyên của một doanh nghiệp là rất cần thiết. Đối với các doanh nghiệp lớn, có các chi nhánh ở các địa bàn khác nhau thì việc sẵn sàng về cáp hữu tuyến là khó khăn trong khi đó với tính ưu việt, triển khai nhanh và đơn giản của mình thì WIMAX có thể hoàn toàn đáp ứng được điều này.
- Video Streaming: hiện nay, truyền hình trực tuyến trên các thiết bị cầm tay, hoặc trên máy tính là rất phát triển, tuy nhiên với các công nghệ truy nhập hiện tại thì người sử dụng có khá nhiều khó khăn để xem tốt được vì sự hạn chế của công nghệ đường truyền, vì chất lượng dịch vụ… WIMAX với khả năng cung cấp đường truyền tốc độ cao với chất lượng tốt sẽ trở thành sự lựa chọn hợp lý.4 LỚP MAC TRONG WIMAX Nhiệm vụ chính của lớp MAC trong WiMAX là cung cấp giao diện giữa lớp vận chuyển và lớp vật lý. Lớp MAC lấy gói dữ liệu từ lớp trên (các gói dữ liệu được gọi là các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC – MSDUs) và sắp xếp chúng vào các đơn vị dữ liệu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 17 giao thức MAC để truyền. Tại đầu nhận, lớp MAC làm ngược lại các bước để đọc được gói dữ liệu.16e-2005 thiết kế lớp MAC bao gồm lớp con hội tụ có thể giao tiếp với giao thức ở lớp cao hơn, như ATM, thoại TDM, Ethernet, IP và giao thức khác trong tương lai. Hiện nay, WiMAX ưu tiên hỗ trợ IP và Ethernet.