Đề tài Bảo mật và kết nối di động của WiMAX

1 Mục lục Chương 1 Giới thiệu mạng WiMAX....................................................................... 6 1.1 Công nghệ băng rộng không dây ................................................................................... 6 1.1.1 Thế nào là băng rộng không dây............................................................................. 6 1.1.2 Lợi ích của băng rộng không dây............................................................................ 7 1.2. Giới thiệu về WiMAX.................................................................................................. 7 1.2.1 Định nghĩa WiMAX............................................................................................... 7 1.2.2 Đặc điểm của công nghệ WiMAX.......................................................................... 9 1.2.3 Băng tần của WiMAX ...........................................................................................11 1.2.4 Giới thiệu các chuẩn liên quan...............................................................................11 1.2.4.1 Chuẩn 802.16-2001 ........................................................................................11 1.2.4.2 Chuẩn 802.16a-2003 ......................................................................................12 1.2.4.3 Chuẩn 802.16c- 2002......................................................................................14 1.2.4.4 Chuẩn 802.16-2004 ........................................................................................14 1.2.4.5 Chuẩn 802.16e và sự mở rộng.........................................................................15 1.3 So sánh WiMAX với các công nghệ không dây khác....................................................16 1.4 Mô hình triển khai .......................................................................................................17 1.4.1 Mạng trục .............................................................................................................18 1.4.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệp..................................................................18 1.4.3 Băng rộng theo nhu cầu .........................................................................................18 1.4.4 Mở rộng nhanh chóng, tiết kiệm............................................................................19 1.4.5 Liên thông dich vụ ................................................................................................19 Chương 2 Cấu trúc mạng WiMAX........................................................................21 2.1 Lớp vật lý ....................................................................................................................21 2.1.1 Giới thiệu ..............................................................................................................21 2.1.2 Xây dựng khung....................................................................................................24 2.1.3 Mô hình hoạt động FDD .......................................................................................25 2.1.4 Mô hình hoạt động TDD .......................................................................................25 2.1.5 Lớp vật lý hướng xuống (Downlink PHY) .............................................................26 2.1.6 Lớp vật lý hướng lên (Uplink PHY).......................................................................28 2.1.7 Kiểm soát lỗi.........................................................................................................30 2.1.8 Tốc độ baud và độ rộng băng thông.......................................................................30 2.1.9 Kiểm soát hệ thống vô tuyến .................................................................................31 2.1.9.1 Kỹ thuật đồng bộ............................................................................................31 2.1.9.2 Kiểm soát tần số .............................................................................................31 2.1.9.3 Điều khiển công suất ......................................................................................32 2.1.10 Lớp con hội tụ truyền dẫn....................................................................................32 2.2 Lớp MAC ....................................................................................................................33 2.2.1 Vấn đề về công nghệ .............................................................................................33 2.2.2 Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ........................................................................35 2.2.2.1 Lớp con hội ATM...........................................................................................36 2.2.2.1.1 Dạng PDU ...............................................................................................36 2 2.2.2.1.2 Sự phân lớp ..............................................................................................36 2.2.2.1.3 Chặn mào đầu tải tin (PHS payload header suppression)...........................37 2.2.2.1.4 Thủ tục báo hiệu ......................................................................................38 2.2.2.2 Lớp con hội tụ gói ..........................................................................................38 2.2.2.2.1 Dạng MAC SDU......................................................................................39 2.2.2.2.2 Sự phân lớp ..............................................................................................39 2.2.2.2.3 Chặn mào đầu tải tin ................................................................................40 2.2.2.2.4 Quá trình chặn mào đầu tải tin .................................................................40 2.2.3 Lớp con phần chung (common part sublayer) ........................................................41 2.2.3.1 MAC PDU......................................................................................................41 2.2.3.2 Hỗ trợ lớp vật lý và cấu trúc khung .................................................................47 2.2.3.3 Điều khiển tuyến vô tuyến (Radio link Control)..............................................48 2.2.3.4 Polling............................................................................................................50 2.2.3.5 Dịch vụ lập lịch trình hướng lên......................................................................52 2.2.3.6 Cấp phát và yêu cầu băng thông......................................................................53 2.2.3.7 Thu nhận kênh................................................................................................55 2.2.3.8 Thiết lập kết nối .............................................................................................56 2.2.3.9 Quyết định cạnh tranh ....................................................................................56 2.2.3.9.1 Cơ hội truyền dẫn. ...................................................................................57 2.2.3.10 Gia nhập mạng và khởi tạo ...........................................................................58 2.2.3.10.1 Quét tần số và đồng bộ...........................................................................58 2.2.3.10.2 Tách các thông số của kênh uplink/downlink .........................................59 2.2.3.10.3 Ranging và đàm phán về khả năng .........................................................59 2.2.3.10.4 SS xác thực, trao quyền và đăng ký ........................................................60 2.2.3.10.5 Kết nối IP ..............................................................................................60 2.2.4 Lớp con bảo mật....................................................................................................60 2.2.4.1 Security Association (SA)...............................................................................60 2.2.4.2 Giao thức PKM ..............................................................................................61 2.2.4.2.1. Thiết lập khoá trao quyền AK .................................................................63 2.2.4.2.2. Trao đổi khoá TEK .................................................................................64 2.2.4.3 Vấn đề sử dụng khóa ......................................................................................66 2.2.4.3.1 Khoá AK .................................................................................................66 2.2.4.3.2 Khoá TEK ...............................................................................................66 2.2.4.4 Phương pháp bảo mật .....................................................................................67 Chương 3: Vấn đề an ninh mạng WiMAX..............................................................69 3.1 Khái niệm an ninh mạng. .............................................................................................69  3.1.1 Các vấn đề về an ninh mạng ..................................................................................69 3.1.2 Các cuộc tấn công an ninh.....................................................................................69 3.2 Phân tích an ninh mạng WiMAX .................................................................................72 3.2.1 Những điểm yếu về mặt giao thức .........................................................................72 3.2.1.1 Thiếu sự xác thực hai chiều.............................................................................72 3.2.1.2 Lỗi trong quản lý khóa ...................................................................................72 3.2.1.3 Lỗi trong việc bảo vệ dữ liệu...........................................................................73 3 3.2.2 So sánh một số nhược điểm an ninh trong mạng WiFi và WiMAX ........................73 3.2.2.1 Cuộc tấn công hủy bỏ xác thực (Deauthentication Attack) ..............................74 3.2.2.2 Cuộc tấn công lặp lại (Replay attack)..............................................................77 3.2.2.3 Giả mạo điểm truy nhập (Access Point Spoof) ................................................79 3.2.2.4 Cuộc tấn công vào cơ chế sóng mang lớp vật lý ..............................................80 3.2.2.5 Giả mạo địa chỉ MAC (MAC Address Spoofing) ............................................82 3.2.3 Những điểm yếu mới trong mạng WiMAX............................................................84 3.2.3.1 Nền tảng công nghệ của các cuộc tấn công .....................................................84 3.2.3.2 Lớp MAC .......................................................................................................87 3.2.3.3 Các cuộc tấn công tiềm ẩn trong mạng 802.16 ................................................87 3.2.3.3.1 Cuộc tấn công sử dụng thông điệp RNG-RSP...........................................87 3.2.3.3.2 Cuộc tấn công vào thông điệp thông báo quyền không hợp lệ...................91 3.3 Những cải tiến mới về an ninh trong mạng WiMAX.....................................................94 3.3.1 Giao thức PKM v2.................................................................................................94 3.3.1.1 Xác thực hai chiều dựa trên public- key ..........................................................95 3.3.1.1.1 Thông điệp yêu cầu trao quyền (thông điệp 2)..........................................95 3.3.1.1.2 Thông điệp đáp lại trao quyền (thông điệp 3) ...........................................96 3.3.1.1.3 Thông điệp xác nhận trao quyền. .............................................................96 3.3.1.2 Trao quyền lẫn nhau dựa trên EAP trong PKM v2...........................................97 3.3.1.2.1 Quá trình xác thực dựa trên EAP..............................................................97 3.3.1.2.2 Quá trình trao đổi 3 bước giữa SS và BS ...................................................98 3.3.1.3 Phân cấp khóa ................................................................................................99 3.3.2 Sử dụng mô hình CCM cho 802.16 MPDUS ..........................................................99 3.3.2.1 Xây dựng nonce ...........................................................................................101 Chương 4 Kết nối WiMAX với mạng di động ....................................................102 4.1 Lời giới thiệu .............................................................................................................103 4.2 Mạng liên kết WiMAX 3GPP ....................................................................................104 4.2.1 Mô hình kết nối WiMAX trong 3GPP .................................................................104 4.2.1.1 Mô hình tight-coupling.................................................................................104 5.2.1.2 Mô hình mạng loose-coupling ......................................................................106 4.2.1.3 Mạng non-roaming WiMAX- 3GPP .............................................................107 4.2.1.4 Mạng roaming WiMAX- 3GPP ....................................................................108 4.2.1.5 Một số yêu cầu khi kết nối WiMAX- 3GPP ..................................................109 4.2.1.5.1 Yêu cầu về WiMAX AAA server và các giao thức AAA........................109 4.2.1.5.2 Yêu cầu về điều khiển truy nhập ............................................................110 4.2.1.5.3 Yêu cầu về tính cước..............................................................................111 4.2.2 Các phần tử của mạng và các điểm giao tiếp ........................................................111 4.2.2.1 Các phần tử của mạng...................................................................................111 4.2.2.1.1 Thiết bị của người sử dụng UE...............................................................111 4.2.2.1.2 3GPP AAA Proxy.................................................................................112 4.2.2.1.3 3GPP AAA Server ................................................................................113 4.2.2.1.4 HLR/HSS...............................................................................................113 4.2.2.1.5 Cổng truy nhập WAG ............................................................................113 4 4.2.2.1.6 Cổng dữ liệu gói PDG............................................................................114 4.2.2.1.6 Cổng biên Border Gateway ....................................................................115 4.2.2.2 Các giao diện mạng ......................................................................................115 4.2.2.2.1 Giao diện Wa.........................................................................................115 4.2.2.2.2 Giao diện Wx ........................................................................................116 4.2.2.2.3 Giao diện D’/Gr’....................................................................................116 4.2.2.2.4 Giao diện Wo ........................................................................................117 4.2.2.2.5 Giao diện Wf .........................................................................................117 4.2.2.2.6 Giao diện Wg ........................................................................................117 4.2.2.2.7 Giao diện Wn ........................................................................................118 4.2.2.2.8 Giao diện Wm .......................................................................................118 4.2.2.2.9 Giao diện Wp ........................................................................................118 4.2.2.2.10 Giao diện Wd ......................................................................................118 4.3 Liên kết mạng giữa WiMAX và UMTS .....................................................................119 4.3.1 Các mạng liên quan.............................................................................................119 5.3.1.1 Cấu trúc mạng WiMAX................................................................................119 5.3.1.2 Cấu trúc mạng UMTS...................................................................................120 4.3.2 Kiến trúc liên mạng WiMAX- UMTS..................................................................122 4.3.2.1 Mô tả kiến trúc .............................................................................................122 4.3.2.2 Quản lý IP ....................................................................................................124 4.3.4 Thủ tục chuyển giao ............................................................................................124 4.3.4.1 Chuyển giao từ mạng truy nhập WiMAX đến UTRAN .................................125 4.3.4.2 Chuyển giao từ UTRAN tới mạng truy nhập WiMAX...................................128 4.4 Kết luận .....................................................................................................................131 Thuật ngữ viết tắt .................................................................................................132 Tài liệu tham khảo .................................................................................................139 Bảng Bảng 1.1: Đặc điểm các chuẩn 802.16 ...................................................................................16 Bảng 1.2: Đặc điểm của một số công nghệ không dây............................................................17 Bảng 2.1: Mô tả các dạng thiết kế lớp vật lý...........................................................................23 Bảng 2.2: Độ dài khung vật lý................................................................................................24 Bảng 2.3: Tốc độ baud và độ rộng kênh .................................................................................31 Bảng 2.4: Các trường trong phần mào đầu chung GH.............................................................44 Bảng 2.5: Các trường trong phần mào đầu yêu cầu băng thông...............................................44 Bảng 3.1: Dạng thông điệp RNG-RSP....................................................................................88 Bảng 3.2: Các mã trong thông điệp RNG-RSP .......................................................................91 Bảng 3.3: Dạng thông điệp PKM ...........................................................................................91 Bảng 3.4: Mã thông điệp PKM ..............................................................................................92 Bảng 3.5: Thuộc tính thông điệp Auth Invalid........................................................................93 Bảng 3.6: Giá trị mã lỗi trong thông điệp xác thực .................................................................94 5 Hình vẽ Hình 1.1: Mô hình băng rộng không dây................................................................................. 6 Hình 1.2: Mô hình mạng WiMAX .......................................................................................... 8 Hình 1.3: Đặc điểm công nghệ WiMAX ................................................................................. 9 Hình 1.4: Sự phát triển các chuẩn 802.16 ...............................................................................15 Hình 1.5 Mô hình triển khai WiMAX ....................................................................................20 Hình 2.1: Cấu trúc giao thức mạng WiMAX ..........................................................................21 Hình 2.2: Tổng quan về chức năng lớp vật lý ở trạm phát sóng WiMAX ................................22 Hình 2.3: Cấu trúc khung TDD ..............................................................................................25 Hình 2.4: Cấu trúc khung con hướng xuống ...........................................................................27 Hình 2.5: Cấu trúc khung con hướng xuống FDD ..................................................................28 Hình 2.6: Cấu trúc khung con hướng lên ................................................................................29 Hình 2.7: Sơ đồ khối chức năng lớp MAC..............................................................................35 Hình 2.8: Dạng PDU của lớp hội tụ con ATM........................................................................36 Hình 2.9: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch đường ......................................37 Hình 2.10: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch kênh ......................................37 Hình 2.11: Dạng MAC SDU ..................................................................................................39 Hình 2.12: MAC PDU ...........................................................................................................42 Hình 2.13: Cấu trúc khung phần mào đầu chung của MAC PDU............................................43 Hình 2.14: Cấu trúc khung phần mào đầu yêu cầu băng thông ...............................................44 Hình 2.15: Xây dựng MAC PDU ...........................................................................................46 Hình 2.16: Mô tả PDU và SDU trong ngăn giao thức .............................................................47 Hình 2.17: Sử dụng bit poll- me .............................................................................................52 Hình 2.18: Ví dụ cơ hội truyền dẫn trong thông điệp yêu cầu băng thông...............................58 Hình 2.19: Giao thức PKM ....................................................................................................62 Hình 2.20: Quá trình mã hóa bảo mật trong 802.16................................................................67 Hình 3.1: Dạng tấn công thụ động .........................................................................................70 Hình 3.2: Dạng tấn công chủ động.........................................................................................70 Hình 3.3: Dạng tấn công man in the middle ...........................................................................71 Hình 3.4: Tấn công bằng thông điệp RES-CMD.....................................................................76 Hình 3.5: Vị trí có thể tấn công trong cấu trúc khung TDD ....................................................86 Hình 3.6: Quá trình tấn công bằng thông điệp RNG-RSP .......................................................89 Hình 3.7: Phần tải tin WMAN CCM ......................................................................................99 Hình 3.8: Xây dựng block B 0 trong 802.16...........................................................................101 Hình 3.9: Xây dựng block A i trong 802.16 ...........................................................................101 Hình 4.1: Mô hình kết nối loose-coupling và tight-coupling giữa WiMAX và 3GPP ............106 Hình 4.2: Kiến trúc mạng non- roaming WiMAX-3GPP ......................................................107 Hình 4.3: Kiến trúc mạng roaming WiMAX-3GPP ..............................................................108 Hình 4.4: Kiến trúc mạng WiMAX......................................................................................120 Hình 4.5: Kiến trúc mạng UMTS .........................................................................................121 Hình 4.6: Kiến trúc liên mạng WiMAX-UMTS ...................................................................123 Hình 4.7: Thủ tục chuyển giao từ WiMAX sang UMTS .......................................................125 Hình 4.8: Thủ tục chuyển giao từ UMTS sang WiMAX .......................................................128 6 Chương 1 Giới thiệu mạng WiMAX 1.1 Công nghệ băng rộng không dây 1.1.1 Thế nào là băng rộng không dây Băng rộng không dây là một công nghệ hứa hẹn những kết nối tốc độ cao trong không trung. Nó sử dụng sóng radio để truyền và nhận dữ liệu trực tiếp tới và từ những người dùng bất cứ khi nào họ muốn. Các công nghệ như 3G, WiFi, hay WiMAX và UWB sẽ làm việc cùng nhau để đáp ứng nhu cầu duy nhất này của khách hàng. Truy nhập không dây băng rộng (BWA) là hệ thống điểm đa điểm được tạo nên từ các trạm phát sóng cơ sở và các thiết bị của khác hàng như hình 1.1. Hình này chỉ ra một trạm phát sóng cơ sở được kết nối với mạng đường trục (backbone). Thay vì sử dụng các kết nối vật lý giữa các trạm cơ sở và các thuê bao, các trạm phát sóng cơ sở sử dụng anten ngoài trời để nhận và gửi dữ liệu, thoại tốc độ cao tới các thuê bao. Công nghệ này giảm được những yêu cầu về cơ sở hạ tầng hữu tuyến đồng thời cung cấp những giải pháp mềm dẻo và hiệu quả cho những chặng cuối. Hình 1.1: Mô hình băng rộng không dây 7 1.1.2 Lợi ích của băng rộng không dây ã Băng rộng hứa hẹn các dịch vụ thoại dữ liệu và truyền hình tốc độ cao. ã BWA có thời gian triển khai nhanh chóng, tốn ít chi phí hơn các phương pháp truyền thống, không cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng hữu tuyến tốn kém. ã Nó đưa ra những kết nối ở những chặng cuối, mà DSL hay băng rộng hữu tuyến không thể đạt tới. ã Thời gian triển khai nhanh hơn, dễ dàng mở rộng hơn, mềm dẻo hơn do vậy nó đem lại những dịch vụ thay thế cho những khách hàng vốn không thỏa mãn với các dịch vụ băng rộng hữu tuyến. ã Nó vượt qua sự thực thi và độ tin cậy của các mạng hữu tuyến với đường dây thuê riêng. ã Tạo ra một môi trường cạnh tranh cho sự phát triển các dịch vụ và các sản phẩm mới. Các đặc tính của BWA sẽ thu hút các công ty các nhà đầu tư vào ngành công nghiệp băng rộng không dây. 1.2. Giới thiệu về WiMAX 1.2.1 Định nghĩa WiMAX WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) hay IEEE 802.16 - wireless microwave access - truy cập vô tuyến sóng cực ngắn), tiêu chuẩn kỹ thuật này sinh ra từ dòng 802.xx ngày một phát triển của IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). IEEE 802.16 Broadband Wireless Metropolitan Area Network (Wireless MAN) Standard cung cấp giải pháp kết nối băng rộng tới những người dùng cố định di động do đó nó kinh tế hơn cơ sở hạ tầng hữu tuyến. IEEE 802.16 Working Group on BWA đang phát triển chuẩn dành cho mạng WMAN với khả năng ứng dụng trên phạm vi toàn cầu từ tháng 7 năm 1999. Chuẩn IEEE 802.16 liên quan đến giao tiếp không gian giữa các thuê bao và các trạm phát sóng. Chuẩn IEEE 802.16 được công bố vào ngày 8 tháng 4 năm 2002. Các chuẩn dành cho mạng WMAN có thể kết nối các điểm nóng 802.11 tới Internet và đưa ra giải 8 pháp truy nhập băng rộng ở những chặng cuối thay thế cho DSL và cáp. Chuẩn WMAN sẽ hỗ trợ các dịch vụ truy nhập không dây băng rộng tới các tòa nhà, chủ yếu thông qua các anten ngoài trời tới các trạm phát sóng cơ sở. Phạm vi có thể lên tới 50 km và cho phép người sử dụng đạt được kết nối băng rộng mà không cần tầm nhìn thẳng tới các trạm phát sóng. The IEEE 802.16 Working Group đang phát triển các chuẩn truy nhập băng rộng không dây cho hệ thống ở băng tần 10- 66 GHz và dưới 11 GHz. Chuẩn này tập trung vào lớp MAC và lớp vật lý. Hình 1.2: Mô hình mạng WiMAX 9 1.2.2 Đặc điểm của công nghệ WiMAX Hình 1.3: Đặc điểm công nghệ WiMAX * Kiến trúc mềm dẻo: WiMAX có một vài kiến trúc như Point to Point dành cho backhaul, Point to Multipoint cho BS (base station) đến SS (subscriber). Nếu chỉ có một SS trong mạng WiMAX thì BS sẽ giao tiếp với SS trên nền tảng Point to Point. Các trạm BS trong mô hình Point to Point có thể dùng một anten với độ định hướng cao để đạt được khoảng cách lớn hơn * An ninh mạnh: WiMAX hỗ trợ AES (advanced Encryption Standard) và 3DES (triple Data Encryption Standard). Với việc bảo mật tuyến giữa BS và SS, WiMAX cung cấp sự riêng tư và an toàn ở giao tiếp không dây băng rộng. An ninh mạng WiMAX còn cho phép các nhà vận hành mạng chống lại sự đánh cắp các dịch vụ. Ngoài ra WiMAX cũng cho phép xây dựng mạng riêng ảo (VPN), cho phép bảo vệ những dữ liệu được gửi đi từ những người sử dụng khác nhau trong cùng một BS. 10 * Cung cấp QoS: WiMAX cung cấp QoS trên từng kết nối đáp ứng tất cả các dịch vụ nhạy cảm với trễ như thoại, truyền hình…và các dịch vụ đa phương tiện. * Sự triển khai nhanh chóng: So với sự triển khai mạng hữu tuyến thì WiMAX có thể được triển khai nhanh hơn rất nhiều. Chỉ với một anten và thiết bị cài đặt được cung cấp nguồn là WiMAX sẵn sàng phục vụ các dịch vụ. Trong nhiều trường hợp sự triển khai WiMAX có thể được tính bằng giờ so với hàng tháng đối với các giải pháp khác. * Cung cấp dịch vụ nhiều mức (multi_level service): Với việc đáp ứng các mức độ QoS khác nhau dựa trên thoả thuận về mức dịch vụ SLA (giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng của mạng WiMAX. Ngoài ra WiMAX còn cho phép một nhà cung cấp dịch vụ có thể đưa ra các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau hoặc thậm chí tới những người sử dụng khác nhau trên cùng một SS. * Khả năng hoạt động cùng các thiết bị khác( Interoperability) WiMAX là một công nghệ phát triển sau này nên cần phải đảm bảo khả năng tương thích với các thiết bị trước đó để có thể được thị trường chấp nhận * Khả năng di động (Portability): Giống như hệ thống cellular một WiMAX SS được bật lên tự nó sẽ xác định mình và quyết định các đặc tính đường truyền tới BS. Ngay khi SS được đăng ký trong cơ sở dữ liệu của hệ thống, nó sẽ thoả thuận về đặc tính đường truyền. * Khả năng di dộng hoàn toàn (Mobility): Chuẩn IEEE 802.16 sửa đổi được thêm đặc tính quan trọng là hỗ trợ di động. Để đáp ứng khả năng di động lớp vật lý dùng OFDM và OFDMA được nâng cấp đáng kể. Sự cải thiện này bao gồm Scaleable OFDM, MIMO (multi input- multi output) và hỗ trợ dạng Idle/sleep và handoff cho phép sự di động ở tốc độ lên tới 160 km/h. *Phạm vi phủ sóng rộng khắp: WiMAX hỗ trợ nhiều mức điều chế bao gồm BPSK, QPSK, 16_QAM, 64_QAM. Khi hoạt động với bộ khuếch đại công suất lớn và mức điều chế thấp BPSK, QPSK WiMAX vẫn có thể bao phủ một vùng rộng với đường truyền giữa BS và SS trong môi trường LOS. 11 * Hoạt động trong đường truyền NLOS: WiMAX dựa trên công nghệ OFDM có khả năng xử lý trong môi trường NLOS (non light of sight) mà các sản phẩm khác không thể. 1.2.3 Băng tần của WiMAX 802.16 cho phép nhiều lớp vật lý do đó nó có thể hoạt động trong băng tần rộng từ 2GHz đến 66 GHz . Vì sóng điện từ không thể lan truyền trong phạm vi rộng như vậy, nên chuần 802.16 chia phạm vi tần số này thành các băng tần khác nhau, mỗi băng tần dùng một lớp vật lý riêng. Có 3 dạng băng tần chính: * 10-66 GHz (licensed band): Truyền dẫn trong băng tần này yêu cầu đường truyền LOS giữa BS và SS. Vì thực tế là trong phạm vi tần số này bước sóng ngắn do đó phải đảm bảo cân bằng sự ảnh hưởng của suy hao do đặc điểm địa hình hay do giao thoa. Tuy nhiên ưu điểm của băng tần này là có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao. * 2-11 GHz (licensed band): Truyền dẫn trong băng tần này không yêu cầu đường truyền LOS, tuy nhiên nếu không có đường truyền LOS thì công suất tín hiệu có thể rất khác nhau giữa BS và SS. * 2-11 GHz (unlicensed band): ở đây đặc tính của băng tần 2-11GHz không cần cấp phép gần giống như băng tần được cấp phép 2-11 Ghz. Tuy nhiên vì chúng là băng tần không cần cấp phép nên không có sự đảm bảo rằng sẽ không xảy ra sự giao thoa bởi các hệ thống khác hay người dùng khác dùng cùng một băng tần. 1.2.4 Giới thiệu các chuẩn liên quan 1.2.4.1 Chuẩn 802.16-2001 Chuẩn WiMAX đầu tiên là chuẩn 802.16 - 2001 được phê chuẩn vào tháng 12 năm 2001, chuẩn này hỗ trợ ứng dụng truy nhập không dây băng rộng cố định trong mô hình điểm - điểm và điểm - đa điểm. Chuẩn sử dụng điều chế sóng mang đơn trong phạm vi tần số 10Ghz đến 66Ghz và sử dụng cả hai phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD) 12 và ghép kênh phân chia theo tần số (FDD). Các sơ đồ điều chế được sử dụng là QPSK, 16QAM và 64 QAM. Khả năng thay đổi phương pháp điều chế và phương pháp sửa lỗi trước cho phép mạng thích nghi được với sự bất thường của thời tiết do đó đáp ứng được chất lượng dịch vụ cho người sử dụng. Các trạm phát sóng BS tạo ra các ánh xạ (Map) kênh hướng lên và kênh hướng xuống sau đó sẽ chia sẻ nó tới các nút trong mạng. Các ánh xạ này bao gồm số lần truyền phát, khoảng thời gian và phương pháp điều chế. Theo cách này vấn đề về nút ẩn có thể bị loại bỏ. Các thuê bao lúc này chỉ tập trung vào một trạm phát sóng BS mà chúng không cần phải lắng nghe bất kỳ một nút nào khác trong mạng. Cũng nhờ thuật toán này mạng không bao giờ bị quá tải hay hay số thuê bao tăng lên đột ngột. Các thuê bao có thể thỏa thuận về dải tần được cấp phát từ burst này đến burst (burst to burst) khác đồng thời cung cấp lịch trình truy nhập mềm dẻo. Như đã nói ở trên các sơ đồ điều chế được sử dụng gồm: QPSK, 16 QAM và 64QAM, tuy nhiên các thuê bao khác nhau hoàn toàn có thể sử dụng các sơ đồ điều chế khác nhau, và các khung khác nhau cũng có thể sử dụng sơ đồ điều chế khác nhau. Các sơ đồ điều chế được lựa chọn phải đáp ứng được các mục đích cuối cùng là đảm bảo sự kết nối ổn định và chất lượng của kết nối. Một đặc tính rất quan trọng của 802.16-2001 là khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau ở lớp vật lý. Một mã nhận dạng lưu lượng dịch vụ (Service Flow ID) sẽ thực hiện kiểm tra QoS. Các dòng lưu lượng dịch vụ này được mô tả bởi các thông số QoS như thời gian trễ tối đa, hay lượng jiter cho phép. Các lưu lượng dịch vụ này có thể được tạo ra bởi trạm phát sóng BS hay thuê bao SS. 802.16 - 2001 chỉ hoạt động trong môi trường tầm nhìn thẳng và với các thiết bị CPE ngoài trời. 1.2.4.2 Chuẩn 802.16a-2003 Vào tháng 1 năm 2003 IEEE công bố chuẩn 802.16a-2003 để cung cấp sự hoạt động trong băng tần 2Ghz đến 11Ghz. Trong khi 802.16 hoạt động trong băng tần 10Ghz đến 66Ghz phải yêu cầu tầm nhìn thẳng thì với băng tần 2Ghz - 13 11Ghz 802.16a cho phép kết nối không cần tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản như cây cối nhà cửa. Khả năng này mở ra cho WiMAX một phạm vi phủ sóng rộng lớn lên tới 50km , cho phép người dùng kết nối băng rộng mà không cần tầm nhìn thẳng tới trạm phát sóng BS, tốc độ có thể lên tới hàng trăm Mbps ở mỗi trạm đồng thời luôn cung cấp đủ băng thông để đáp ứng tức thời hàng trăm công ty với những đường kết nối T1/E1 và hàng ngàn hộ gia đình với những kết nối DSL tới 1 trạm BS. Tuy nhiên khả năng mới này lại đem đến cho 802.16a những thách thức ở lớp vật lý, đó là việc phải thay lớp vật lý sao cho đáp ứng được sự hoạt động ở dải tần 2-11 Ghz. Do vậy ngoài các phương pháp điều chế đã giới thiệu trong 802.16, chuẩn sửa đổi này còn đưa ra 3 dạng lớp vật lý: - Single carrier - 256 point FFT OFDM - 2048 point FFT OFDMA Để đáp ứng sự tương thích với các chuẩn hiện có WiMAX mới đưa hai dạng lớp vật lý single carrier và 256 point FFT OFMD vào các sản phẩm, còn dạng thứ ba sẽ được triển khai khi thị trường yêu cầu. Các khung OFDM được lựa chọn là do khả năng ưu việt hơn so với công nghệ CDMA vì nó có thể hoạt động trong môi trường không cần tầm nhìn thẳng trong khi đó vẫn đạt được hiệu suất phổ lớn nhất. Trong trường hợp CDMA, băng thông RF phải lớn hơn thông lượng dữ liệu nhiều để chống giao thoa. Nếu sử dụng công nghệ CDMA để thực hiện không dây băng rộng dưới tần số 11 Ghz và tốc độ lên tới 70Mbps thì băng thông yêu cầu phải đạt 200Mpbs để có thể hoạt động không cần tầm nhìn thẳng. Bên cạnh đó một vài đặc tính của lớp vật lý cũng được nêu ra như độ rộng kênh mềm dẻo, dạng burst thích ứng, và hệ thống anten thích ứng để cải thiện về phạm vi và dung lượng, sự lựa chọn tần số động giúp làm giảm tối thiểu giao thoa, mã hóa không gian giúp nâng cấp sự thực hiện trong môi trường fading nhờ mật độ không gian dày đặc. Các đặc tính trên là rất cần thiết cho ứng dụng truy nhập băng rộng không dây ngoài trời, đặc biệt độ rộng kênh mềm dẻo là một yêu cầu đầu tiên để WiMAX có thể được triển khai rộng rãi, bởi vì ở mỗi nước băng tần là khác 14 nhau, kích thước kênh cũng khác nhau. Trong khi đó ở băng tần cấp phép các nhà vận hành mạng phải trả cước phí cho từng Mhz được cấp nên họ luôn muốn tận dụng hết băng thông được cấp. Ví dụ như một nhà vận hành mạng thuê một băng tần 14 Mhz, họ sẽ không muốn sử dụng các kênh với độ rộng 6 Mhz vì sẽ lãng phí 2 Mhz mà họ muốn hệ thống của mình phải triển khai được các kênh với độ rộng là 7Mhz; 3,5Mhz hay thậm chí 1,75Mhz để tận dụng hết dải tần. Về mặt an ninh 802.16a-2003 đưa ra cải tiến là yêu cầu lớp bảo mật là bắt buộc trong khi ở chuẩn 802.16-2001 thì lớp bảo mật này là tùy chọn. 802.16a cũng thêm vào hỗ trợ mạng lưới. Điều này có nghĩa là các lưu lượng từ một thuê bao SS này tới SS khác có thể được định tuyến. Đây là một sự thay đổi trong mô hình điểm - đa điểm mà trước kia các lưu lượng đều phải qua trạm phát BS. Sự thay đổi ở lớp MAC này cho phép các thuê bao trong mạng Mesh có thể lập lịch trình tới nhau mà không cần thông qua trạm phát BS. 1.2.4.3 Chuẩn 802.16c- 2002 Vào tháng 12 năm 2002 chuẩn 802.16c đã được công bố, bản sửa đổi mới này xem xét lại một số vấn đề về giao thức, thêm một số dạng hệ thống chi tiết hơn cho băng tần 10-66Ghz đồng thời cũng sửa một số lỗi và sự mẫu thuẫn của các bản trước đó. 1.2.4.4 Chuẩn 802.16-2004 Chuẩn 802.16 - 2004 được phê chuẩn vào ngày 24/07/2004 và được công bố vào tháng 9 năm 2004, còn được biết đến với cái tên chuẩn 802.16-Revd. Chuẩn 802.16-2004 chính là sự thống nhất của các chuẩn 802.11-2001, 802.16a- 2003 và 802.16c-2002 tạo nên một chuẩn mới. Ban đầu nó được xem như là sự xem xét sửa đổi những chuẩn trước đó nhưng những thay đổi mới này đã hình thành nên một chuẩn mới toàn diện và được áp dụng cho chứng nhận chuẩn WiMAX. Chuẩn 802.16 - 2004 đã đưa ra khả năng tự cài đặt các thiết bị trong nhà, nó đem lại sự tiện lợi lớn cho người sử dụng. Các thiết bị hoạt động trong băng tần cấp phép sẽ sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD) còn đối với 15 băng tần không cấp phép có thể sử dụng cả hai phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD) và ghép kênh phân chia theo tần số (FDD). Ngoài ra lớp MAC là tối ưu cho những tuyến đường truyền dài vì nó được thiết kế với khoảng trễ lớn hơn và độ trễ biến đổi. Hình 1.4: Sự phát triển các chuẩn 802.16 1.2.4.5 Chuẩn 802.16e và sự mở rộng Chuẩn 802.16 là chuẩn được thêm vào đặc tính hỗ trợ di động và vẫn đang được nghiên cứu. Ngoài ra chuẩn này còn đưa vào hệ thống bảo mật cao cấp (AES), một yêu cầu bắt buộc cho các chứng nhận WiMAX. Tuy nhiên vì chuẩn này vẫn chưa được phê chuẩn nên chúng ta không thể nói gì về những thay đổi mới này cho đến khi bản phác thảo cuối cùng được phê duyệt. Bên cạnh chuẩn 802.16 e thì các chuẩn như 802.16 f, 802.16g đang được nghiên cứu. Các chuẩn này chủ yếu tập trung vào các giao thức quản lý mạng. 16 Chuẩn 802.16 802.16a/802.16Revd 802.16e Thời gian công bố 12/2001 802.16a: 1/2003 802.16Revd: 2004 2005 Dải tần số 10-66Ghz < 11 Ghz < 6 Ghz Môi trường truyền LOS NLOS, LOS NLOS, LOS Tốc độ 32- 134,4 Mbps/ kênh 28 Mhz Max: 75 Mbps/ kênh 20 Mhz Max: 15Mbps/ kênh 5 Mhz Điều chế QPSK, 16QAM, 64 QAM QPSK, 16QAM, 64QAM, Single carier OFDM 256 sub-carier OFDM 2048 sub- carier Tương tự 802.16a Mức di động Cố định Cố định Mức di động tốc độ thấp Độ rộng kênh 20, 25, 28 Mhz Dải kênh: 1,25 -20 Mhz Tươngtự 802.16a Bán kính cell 2 - 5 km 6 - 9 km lớn nhất là 50km phụ thuộc vào độ cao anten hệ số tăng ích và công suất phát 2- 5 km Bảng 1.1: Đặc điểm các chuẩn 802.16 1.3 So sánh WiMAX với các công nghệ không dây khác Ta biết rằng hiện nay một số công nghệ truy cập Internet như thông qua modem thì đạt tốc độ thấp, ADSL đạt tốc độ 8Mbps nhưng cần có dây, các kênh thuê riêng thì đắt và khó triển khai. Các hệ thống hiện tại chỉ đạt tốc độ 9,6kbit/s. 17 GSM, GPRS (2,5G) đạt tốc độ 171,2kbit/s, EDGE 300-400kbit/s, hệ thống 3G đạt tốc độ 2Mbit/s. Mạng WiFi (LAN không dây) chỉ đạt được khoảng cách ngắn. Nhưng WiMAX cung cấp phương tiện truy cập không dây tổng hợp thay thế ADSL, WiFi, có thể đạt tốc độ lên tới 70Mbit/s, bán kính phủ sóng 50km với mô hình phủ sóng giống điện thoại tế bào. Bảng 1.2 bên dưới mô tả một số đặc điểm của các công nghệ không dây hiện nay. Mạng 3G WiFi 802.11 WiMAX 802.16 Mobile_Fi 802.20 Tốc độ 384 kbps - 2Mbps 11 Mbps-54Mbps Lên tới 70Mbps 16Mbps Phạm vi phủ sóng Vài km 100 m/LOS 30 m/NLOS 30km -50km/LOS 2km – 5km /NLOS 38 km Phổ tần số Phổ không dây hiện có 2,4Ghz/802.11b/g 5,2 G/ 802.11a 10- 66 Ghz/802.16 2- 11 Ghz/ 802.16a < 3,5 Ghz Ưu điểm Phạm vi phủ sóng, khả năng di động Tốc độ cao, Giá rẻ Tốc độ cao, phạm vi phủ sóng Tốc độ cao, khả năng di động Nhược điểm Giá cao Phạm vi ngắn Vấn đề giao thoa Giá cao Khả năng di dộng Di chuyển Cố định và di động Di động hoàn toàn Di động hoàn toàn Bảng 1.2: Đặc điểm của một số công nghệ không dây 1.4 Mô hình triển khai Sau khi ra đời, 802.16a đã nhanh chóng được triển khai tại châu Âu, Mỹ và thể hiện một số lợi ích cụ thể. 18 1.4.1 Mạng trục 802.16a là công nghệ không dây lý tưởng làm mạng trục nối các điểm hotspot thương mại và LAN không dây với Internet. Công nghệ không dây 802.16a cho phép doanh nghiệp triển khai hotspot 802.11 linh hoạt khi gặp địa hình hiểm trở, đòi hỏi thời gian ngắn và nâng cấp linh hoạt theo nhu cầu thị trường. Chuẩn 802.16a cho phép triển khai những mạng trục tốc độ cao, chi phí thấp. Tại châu Âu, nơi các nhà vận hành ít chấp nhận chia sẻ cáp trục với đối thủ cạnh tranh, mạng trục WiMax đã có đất phát triển và được sử dụng trong 80% tháp sóng. Riêng tại Mỹ, do có điều luật qui định các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba phải thuê tuyến cáp trục từ nhà cung cấp mạng trục Internet nên tốc độ ứng dụng WiMax chậm hơn châu Âu. Tuy vậy, tỷ lệ ứng dụng WiMax làm mạng trục cũng đã chiếm đến 20% và sắp tới sẽ phát triển rất nhanh vì FCC đang chuẩn bị bỏ ràng buộc về tuyến cáp trục với các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba. Đối với các nước đang phát triển thì giải pháp kết nối không dây 802.16a cho phép nâng cấp năng lực dịch vụ nhanh chóng theo nhu cầu thực tế mà không phải lo ngại về vấn đề đào đường, thay đổi kiến trúc hạ tầng. 1.4.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệp Chuẩn 802.16a được dùng làm cơ sở để liên thông các mạng LAN không dây, hotspot WiFi 802.11 hiện có. Doanh nghiệp có thể tự do mở rộng qui mô văn phòng mà môi trường mạng cục bộ vẫn được liên lạc nếu có mạng trung gian không dây chuẩn 802.16a. Nhìn rộng hơn, doanh nghiệp có thể triển khai mạng LAN không dây thống nhất cho tất cả văn phòng trong phạm vi một quốc gia. 1.4.3 Băng rộng theo nhu cầu Hệ thống không dây cho phép triển khai hiệu quả ngay cả khi sử dụng ngắn hạn. Với sự hỗ trợ của công nghệ 802.16a, hệ thống hotspot 802.11 vẫn đủ năng lực phục vụ dịch vụ kết nối tốc độ cao tại những hội chợ, triển lãm có đến 19 hàng ngàn khách. Nhà cung cấp dịch vụ có thể nâng cấp hoặc giảm bớt năng lực phục vụ của hệ thống theo nhu cầu thực tế, giúp nâng cao hiệu quả kinh doanh, tăng tính cạnh tranh của doanh nghiệp. 1.4.4 Mở rộng nhanh chóng, tiết kiệm Hệ thống 802.16a cho phép phủ sóng đến những vùng hiểm trở, thiếu cáp trước đây. Do tuyến cáp DSL chỉ có thể đáp ứng trong bán kính 4,8 km tính từ trạm điều phối trung tâm nên còn nhiều vùng địa hình hiểm trở mà nhà cung cấp không thể với tới. Thống kê gần đây cho thấy có hơn 2.500 nhà cung cấp dịch vụ không dây (Wireless ISP) địa phương hoạt động hiệu quả trên 6.000 thị trường tại Mỹ. Không chỉ triển khai dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, hệ thống còn cho phép triển khai dịch vụ thoại cho những người dùng ở vùng sâu vùng xa. 1.4.5 Liên thông dich vụ Với công nghệ IEEE 802.16e mở rộng từ 802.16a, trong tương lai người dùng sẽ được hỗ trợ dịch vụ roaming tương tự điện thoại di động, tự động chuyển kết nối đến nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây địa phương ngay khi ra ngoài vùng phủ sóng của mạng gia đình, công ty. Dự kiến đến 2006, công nghệ WiMAX sẽ được tích hợp vào máy tính xách tay, PDA như Wi-Fi hiện nay và từng bước hình thành nên những vùng dịch vụ không dây băng rộng mang tên "MetroZones". 20 Hình 1.5 Mô hình triển khai WiMAX 21 Chương 2 Cấu trúc mạng WiMAX Chuẩn IEEE 802.16a được xây dựng dưới dạng giao thức ngăn xếp với nhiều giao diện được định nghĩa. Lớp MAC bao gồm ba lớp con: Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer), lớp con MAC phần chung (MAC Common Part Sublayer) và lớp con bảo mật (Privacy Sublayer). Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền dẫn TC (Transmission Convergence Sublayer). Vị trí tương đối của các lớp con MAC và lớp PHY được trình bày trong hình 2.1. Lớp cao hơn Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer) Lớp con MAC phần chung (MAC Common Part Sublayer) Lớp con bảo mật (Privacy Sublayer) MAC Lớp con hội tụ truyền TC (Transmission Convergence Sublayer) QPSK 16-QAM 64-QAM OFDM PHY Hình 2.1: Cấu trúc giao thức mạng WiMAX 2.1 Lớp vật lý 2.1.1 Giới thiệu Chuẩn IEEE 802.16 là chuẩn hỗ trợ nhiều giao tiếp môi trường vật lý khác nhau. Chuẩn được phát triển từ phiên bản năm 2001 và đến nay vẫn được nghiên cứu. Trước kia 802.16 chỉ sử dụng dạng điều chế sóng mang đơn nhưng đến nay 22 đã hỗ trợ công nghệ truy nhập dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao mở rộng (SOFDMA). Ban đầu chỉ sử dụng băng tần 10 - 66 GHz đến nay chuẩn cho phép hoạt động ở cả hai băng tần 2 -11 Ghz và 10 -66 Ghz. Hình 2.2: Tổng quan về chức năng lớp vật lý ở trạm phát sóng WiMAX 10- 66Ghz : Trong băng tần 10-66 Ghz lớp vật lý của 802.16 phải hỗ trợ môi trường truyền sóng trong tầm nhìn thẳng do vậy dạng điều chế sóng mang đơn được lựa chọn. Giao tiếp không trung này được gọi là WirelessMAN- SC. Nhiều thách thức trong vấn đề thiết kế vẫn tồn tại tuy nhiên do kiến trúc sử dụng ở đây là điểm - đa điểm nên về cơ bản các trạm phát sóng BS sẽ sẽ truyền phát tín hiệu TDM, trong đó các trạm thuê bao sẽ được định ra các khe thời gian liên tiếp nhau. ở hướng lên uplink sử dụng công nghệ truy nhập phân chia theo thời gian TDMA. Về sau bản thiết kế sử dụng dạng burst được lựa chọn bởi vì nó cho phép cả hai dạng ghép kênh theo thời gian và ghép kênh theo tần số. Sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian các kênh hướng lên uplink và kênh hướng xuống downlink đều có thể sử dụng cùng một kênh truyền dẫn nhưng không được phát cùng một lúc, còn sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số hai kênh hướng lên uplink và kênh hướng xuống downlink sử dụng hai kênh khác nhau đôi khi có thể truyền phát cùng lúc. Dạng burst cho phép cả TDD và FDD được xử lý tương tự nhau, tuy nhiên các thuê bao chỉ sử dụng FDD bán song công. Hai dạng TDD và 23 FDD có thể thay thế nhau và đều sử dụng dạng burst với sơ đồ mã hóa và điều chế là tùy chọn, được gán động trên từng burst 2 - 11Ghz : Trong dải tần 2 -11 Ghz IEEE 802.16 sử dụng cả băng tần cấp phép và không cần cấp phép trong môi trường truyền dẫn không yêu cầu tầm nhìn thẳng. Các bản phác thảo hiện tại đưa ra 3 dạng lớp vật lý khác nhau, mỗi dạng đều có thể tương thích với nhau. ã WirelessMAN- SCa: dạng này sử dụng điều chế sóng mang đơn ã WirelessMAN - OFDM: dạng này sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao với 256 điểm biến đổi FFT. Đây là giao tiếp bắt buộc trong băng tần không cần cấp phép. ã WirelessMAN - OFDMA: dạng này sử dụng truy nhập phân chia theo tần số trực giao với 2048 điểm biến đổi FFT. Do yêu cầu về truyền sóng ở dạng vật lý này sẽ hỗ trợ hệ thống anten tiên tiến. Dạng thiết kế ứng dụng Ghép kênh WirelessMAN- SC 10 -66 Ghz TDD, FDD Sóng mang đơn. WirelessMAN-SCa 2-11 Ghz, băng tần cấp phép. TDD, FDD Sóng mang đơn, mở rộng cho NLOS. Wireless MAN- OFDM 2-11Ghz, băng tần cấp phép. TDD, FDD OFDM dùng trong NLOS. WirelesMAN - OFDMA 2 -11 Ghz, băng tần cấp phép. TDD, FDD OFDM được chia ra thành các nhóm con để cho phép đa truy nhập trong một băng tần. WirelessHUMAN 2-11 Ghz băng tần không cần cấp phép. TDD Có thể là sóng mang đơn SC, OFDM hay OFDMA. Bao gồm cả việc lựa chọn tần số động. Bảng 2.1: Mô tả các dạng thiết kế lớp vật lý 24 Lớp vật lý được thiết kế cho sự hoạt động trong băng tần 10 -66 Ghz được thiết kế với sự mềm dẻo để cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có khả năng triển khai hệ thống một cách tối ưu trong việc lập các cell, tính chi phí, khả năng của sóng radio, các dịch vụ hay dung lượng của hệ thống. Để cho phép sử dụng phổ hiệu quả, cả hai phương pháp ghép kênh TDD và FDD đều được sử dụng. Bên cạnh đó cả hai phương pháp này đều sử dụng các burst truyền dẫn, mỗi burst có burst profile chứa các thông số truyền dẫn như sơ đồ điều chế, sơ đồ mã hóa, và chúng có thể được điều chỉnh trên mỗi thuê bao dựa trên từng khung một. 2.1.2 Xây dựng khung Lớp vật lý sử dụng các khung như bảng 2.2 Trong mỗi khung là các khung con hướng lên và khung con hướng xuống. Các khung con hướng xuống bắt đầu với các thông tin cần thiết cho việc điều khiển và đồng bộ khung. Trong trường hợp TDD các khung con hướng xuống sẽ phát trước tiếp sau đó là các khung con hướng lên. Trong trường hợp FDD sự truyền phát dữ liệu hướng lên xảy đồng thời với hướng xuống. Mỗi thuê bao SS sẽ cố gắng nhận hết các burst hướng xuống ngoại trừ những burst mà burst profile không được thực hiện bởi SS và những burst có tín hiệu không đủ mạnh so với các burst profile hiện tại của thuê bao SS đó. Các SS trong mô hình bán song công sẽ không cần thiết phải nghe các phần của kênh hướng xuống. M∙ độ dài khung Độ dài khung Đơn vị 0x01 0,5 ms 0x02 1 ms 0x03 2 ms 0x04- 0x0F Chưa sử dụng Bảng 2.2: Độ dài khung vật lý 25 2.1.3 Mô hình hoạt động FDD Trong mô hình hoạt động FDD các kênh hướng lên và hướng xuống sử dụng tần số khác nhau. Các tuyến hướng xuống có thể sử dụng nhiều loại điều chế khác nhau và cho phép truyền phát ngay lập tức nếu hỗ trợ song công. 2.1.4 Mô hình hoạt động TDD Trong trường hợp TDD sự truyền phát dữ liệu hướng lên và hướng xuống sử dụng cùng tần số nhưng ở những thời điểm khác nhau. Một khung TDD có một khoảng thời gian cố định, và chứa một khung con hướng lên và một khung con hướng xuống. Các khung TDD được chỉ ra ở hướng lên và hướng xuống là rất khác nhau tương ứng với dung lượng của tuyến. Hình 2.3: Cấu trúc khung TDD TTG TTG là một khoảng giữa burst hướng xuống và burst hướng lên theo sau. Khoảng này mở ra một khoảng thời gian để trạm phát sóng BS có thể chuyển từ trạng thái phát tin sang trạng thái nhận tin và cho phép thuê bao SS chuyển từ trạng thái nhận tin sang trạng thái truyền tin. Trong khoảng thời gian này, trạm phát sóng BS và thuê bao SS không được phát bất cứ dữ liệu gì đã được điều chế tuy nhiên nó cho phép bộ phát sóng của BS có thể phát đi những xung dốc xuống, 26 các anten phát /thu khởi động, bộ thu tín hiệu của BS tích cực. Sau khoảng thời gian này bộ thu của trạm phát sóng BS sẽ tìm kiếm các tín hiệu đầu tiên của burst uplink. RTG RTG là một khoảng giữa burst hướng lên và các burst hướng xuống theo sau. Khoảng này cho phép trạm phát sóng BS chuyển trạng thái từ nhận dữ liệu sang phát dữ liệu, trong khoảng thời gian này BS không phát dữ liệu đã điều chế, tuy nhiên cho phép BS phát đi tín hiệu dốc lên, anten thu/phát tín hiệu khởi động, bộ thu tín hiệu của thuê bao SS được tích cực. Sau khoảng thời gian này thuê bao SS sẽ tìm những tín hiệu của dữ liệu điều chế QPSK trong burst hướng xuống. Khoảng thời gian này là bội số của khoảng thời gian của một khe vật lý PS (physical slot) bắt đầu tính từ biên giới của khe vật lý này. Khe vật lý được dùng cho mục đích định ra băng thông và nhận dạng sự chuyển tiếp lớp vật lý. Khe vật lý PS thường đựơc xác định bằng các ký hiệu 4- QAM. 2.1.5 Lớp vật lý hướng xuống (Downlink PHY) Băng thông sẵn có trên các kênh hướng xuống được tính bằng khe thời gian vật lý PS, còn băng thông hướng lên tính bằng một minislot, trong đó chiều dài một minislot được tính bằng 2m PS (m = 0..7). Số lượng khe vật lý trong mỗi khung tạo nên tốc độ ký hiệu (symbol rate). Tốc độ ký hiệu trong mỗi khung thường được lựa chọn là số nguyên lần PS. Ví dụ với tốc độ ký hiệu là 20 MBd, thì sẽ có 5000 PS trong một khung 1ms. Khung con hướng xuống (Downlink subframe) Cấu trúc của khung con hướng xuống sử dụng TDD được minh họa theo hình 2.4. Khung con hướng xuống bắt đầu với phần mào đầu đồng bộ khung được sử dụng để đồng bộ và cân bằng khung. Tiếp theo sau là phần điều khiển khung chứa DL-MAP và UL-MAP, sau đó là phần mang dữ liệu TDD được tổ chức thành dạng burst, trong đó mỗi burst có một burst profile khác nhau, giúp tạo ra mức độ khác nhau trong truyền dẫn. 27 Burst profile chứa các thông số đặc tả các đặc tính truyền dẫn hướng lên và hướng xuống. Mỗi profile chứa các thông số như loại điều chế, sửa lỗi trước, chiều dài phần mào đầu đồng bộ, khoảng bảo vệ … Thông thường các burst đầu tiên được truyền đi thường sử dụng phương pháp điều chế đơn giản nhất, thường là QPSK sau đó là 16 QAM và tiếp theo là 64_QAM. Mỗi thuê bao SS nhận và giải mã các thông tin điều khiển trên kênh hướng xuống sau đó tìm kiếm phần mào đầu lớp MAC. Hình 2.4: Cấu trúc khung con hướng xuống Trong trường hợp FDD cấu trúc kênh hướng xuống được minh họa như hình 2.5 Cũng giống như TDD các khung con hướng xuống cũng bắt đầu bằng phần mào đầu đồng bộ, theo sau là phần điều khiển khung và phần dữ liệu TDM, được tổ chức thành dạng burst. Các khung con hướng xuống sẽ tiếp tục với phần TDMA được sử dụng để truyền dữ liệu tới bất kỳ một thuê bao bán song công nào đã được lập lịch trình truyền phát dữ liệu trước khung mà chúng nhận được. Điều này cho phép các thuê bao cá nhân có thể giải mã các phần khung cụ thể trong khung hướng xuống mà không cần phải giải mã toàn bộ khung con hướng xuống. Trong phần TDMA mỗi burst sẽ bắt đầu với phần mào đầu burst TDMA hướng xuống (downlink 28 TDMA Burst Preamble) dùng để đồng bộ lại. Các burst trong phần TDMA không cần tuân theo thứ tự điều chế từ thấp đến cao. Phần điều khiển khung FDD chứa cả hai ánh xạ burst TDM và TDMA.  P re am bl e  P re am b le P re am b le P re am b le P re am b le P re am bl e  Broadcast  control  DIUC=0  TDM  DIUC  a  TDM  DIUC  b  TDM  DIUC  c  Phần TDMA  TDMA  DIUC  d  TDMA  DIUC  e  TDMA  DIUC  f  TDMA  DIUC  g  DLư MAP  ULưMAP  TDM: Time Division Multiplex  DIUC: Downlink Interval Usage code  Preamble: Phần đầu động bộ khung  Phần TDM Hình 2.5: Cấu trúc khung con hướng xuống FDD Trong khung con hướng xuống TDD vốn đã chứa các dữ liệu truyền tới các thuê bao SS, và các SS sẽ truyền tin trong một khung khác sau khung mà chúng nhận được. Việc này giống với cấu trúc khung con hướng xuống FDD không hỗ trợ bán song công, khi đó các thuê bao SS được lập lịch trình phát dữ liệu trước khi chúng nhận được khung. 2.1.6 Lớp vật lý hướng lên (Uplink PHY) Khung con hướng lên (uplink subframe) Cấu trúc khung con hướng lên được sử dụng bởi thuê bao SS truyền tin tới BS được chỉ ra ở hình 2.6. ở đây có 3 loại burst được truyền đi trong một khung con hướng lên: ã Burst được phát đi với mục đích cạnh tranh dành cho ranging khởi đầu. 29 ã Burst được phát đi với mục đích cạnh tranh được xác định bởi khoảng yêu cầu (Request Interval) dành cho việc đáp lại poll multicast hay broadcast. ã Burst được phát đi trong các khoảng khác nhau được xác định bởi Data Grant IE dùng để định ra băng thông cho từng SS. Các burst này có thể tồn tại trong bất cứ khung nào, xuất hiện ở bất kỳ thời điểm nào và số lượng không hạn chế (chỉ bị hạn chế bởi số khe vật lý PS) trong một khung. Băng thông được chỉ ra cho ranging khởi đầu và cơ hội cạnh tranh yêu cầu (Request contention opportunies) có thể được nhóm lại với nhau và luôn được dùng cùng với burst profile hướng lên được chỉ ra trong UIUC (ranging khởi đầu có UIUC =2, khoảng yêu cầu có UIUC =1). SSTG (SS transition gap) được dùng để tách biệt sự truyền phát của các SS khác nhau trong cùng một khung con hướng lên. Khoảng trống này có dạng xung dốc xuống và được theo sau bởi một phần mào đầu cho phép BS đồng bộ với SS mới. Phần mào đầu và khoảng trống này được quảng bá theo định kỳ trong thông điệp UCD. Initial  maintena  nce  opportunit  ies  (UIUC =2)  Cơ hội duy  trỡ khởi đầu  (UIUC = 2)  Cơ hội cạnh  tranh yờu  cầu  (UIUC= 1)  Khoảng dữ  liệu SS1  (UIUC = i)  …...  Khoảng dữ  liệu SS N  (UIUC = j)  Khoảng  chuyển tiếp  SS  Khoảng  chuyển tiếp  Tx/Rx  Burst truy nhập  Xung đột  Burst truy nhập  Yờu cầu băng thụng  Xung  đột  Yờu cầu  băng thụng Hình 2.6: Cấu trúc khung con hướng lên 30 Một số nét đặc trưng khác của lớp vật lý ở chuẩn IEEE 802.16a mà do phương pháp điều chế đó mang lại đó là công suất phát lớn trong một vùng rộng, độ rộng các kênh có tính mềm dẻo, một mặt thích ứng về tốc độ, tự hiệu chỉnh lỗi, phụ thuộc vào các hệ thống anten cao cấp để cải thiện vùng phủ sóng và dung lượng hệ thống, phương pháp lựa chọn tần số DFS sẽ làm cho nhiễu giảm tới mức nhỏ nhất có thể, phương pháp mã hóa theo các khoảng thời gian tăng cường sự thực hiện trong môi trường pha đinh và vượt qua được tính đa dạng về không gian. 2.1.7 Kiểm soát lỗi Chuẩn IEEE802.16 sử dụng hai phương pháp kiểm soát lỗi ở lớp vật lý: Sửa lỗi trước (FEC) và yêu cầu truyền lại tự động (ARQ). Sửa lỗi trước là phương pháp rất phổ biến ở các giao tiếp vô tuyến. Chuẩn IEEE 802.16 sử dụng Reed Solomon GF (256) FEC, tuy nhiên cho phép lựa chọn mã Block Turbo để tăng phạm vi phủ sóng của BS hoặc tăng thông lượng. Yêu cầu truyền phát lại tự động là một đặc tính lớp vật lý được sử dụng để xử lý những lỗi xảy ra trong quá trình lan truyền bất thường. ARQ bao gồm cả sự truyền phát lại từng bít dữ liệu bị mất trong quá trình truyền dẫn ban đầu. Việc truyền lại riêng từng bít cho phép lớp vật lý có thể tự sửa lỗi trước khi gửi dữ liệu lên các lớp cao hơn. Đây là một đặc tính chỉ có ở lớp vật lý của 802.16a không có trong chuẩn 802.16. 2.1.8 Tốc độ baud và độ rộng băng thông Một lượng lớn băng thông luôn có sẵn ở dải tần 10- 66 GHZ cho hệ thống điểm đa điểm. Mặc dù những yêu cầu quy tắc rất khác nhau ở những vùng địa lý nhưng vẫn có những tiêu chuẩn chung cho độ rộng kênh RF như bảng 2.3. Điều này là cần thiết để đảm bảo xây dựng một chuẩn có tính tương thích cho các sản phẩm. 31 Kích thước kênh (MHz) Tốc độ ký hiệu (Mbaud) Tốc độ bit (Mbit/s) QPSK Tốc độ bít (Mbit/s) 16- QAM Tốc độ bit (Mbit/s) 64- QAM Độ rộng khung được đề cử (ms) Số lượng PS /khung 20 16 32 64 96 1 4000 25 20 40 80 120 1 5000 28 22.4 44.8 89.6 134.4 1 5600 Bảng 2.3: Tốc độ baud và độ rộng kênh Trong bảng 2.3 tốc độ baud được chọn là số nguyên lần khe vật lý PS trên mỗi khung. Khoảng thời gian của khung được chọn dựa trên cơ sở cân bằng giữa hiệu suất truyền tải và độ trễ. 2.1.9 Kiểm soát hệ thống vô tuyến 2.1.9.1 Kỹ thuật đồng bộ Bộ giải điều chế hướng xuống cung cấp một đồng hồ tham chiếu được lấy từ đồng hồ ký hiệu hướng xuống. Tham chiếu này được sử dụng bởi các trạm thuê bao đạt được sự định thời khi đồng hồ hướng xuống bị khóa để tham chiếu chính xác tới BS. Việc đồng bộ các khe thời gian hướng lên một cách chính xác được thực hiện thông qua thủ tục chỉnh ranging được xác định ở lớp MAC đảm bảo rằng việc truyền dẫn bởi nhiều người dùng không bị giao thoa với nhau. Do đó lớp vật lý phải cung cấp sự định thời chính xác từ BS và mềm dẻo trong việc chỉnh định thời ở phía SS theo các đặc tính của bộ phát. 2.1.9.2 Kiểm soát tần số Kiểm soát tần số là một thành phần của lớp PHY. Lỗi tần số rất khác nhau theo từng thời kỳ và nhiệt độ trong đơn vị sóng vô tuyến, đặc biệt là ở tần số cao. Để giảm độ phức tạp trong các thành phần tần số ở SS tần số sóng mang hướng 32 lên và hướng xuống sẽ tham chiếu lẫn nhau. Tuy nhiên việc chỉnh tần số và công suất cũng tồn tại trong quá trình ranging. Sau khi tần số ban đầu được điều chỉnh các biện pháp chỉnh lệch tần số theo chu kỳ ở phía BS sẽ được thực hiện ở lớp vật lý và gửi tới SS thông qua thông điệp lớp MAC nếu cần thiết. 2.1.9.3 Điều khiển công suất Cùng với việc kiểm soát tần số, thuật toán điều khiển công suất cũng được hỗ trợ ở tuyến lên với cả hai khả năng là điều chỉnh ban đầu và điều chỉnh theo chu kỳ với mục tiêu không mất dữ liệu. BS có khả năng đo chính xác công suất của tín hiệu nó nhận được. Giá trị này được so sánh với mức công suất chuẩn. Nếu có lỗi, những lỗi này sẽ được gửi lại SS trong một thông điệp điều chỉnh tới từ lớp MAC. Thuật toán điều chỉnh công suất sẽ được thiết kế hỗ trợ sự suy hao công suất do khoảng cách, do sự thay đổi công suất ở mức cao nhất là 10dB/s với độ sâu thấp nhất là 40 dB. Việc thực hiện thuật toán này một cách chính xác sẽ được đưa ra bởi các nhà cung cấp cụ thể. Phạm vi điều khiển công suất tổng bao gồm cả phần cố định và phần được điều khiển tự động bằng thông tin phản hồi. Thuật toán này cũng tính đến cả sự ảnh hưởng lẫn nhau của bộ khuếch đại công suất với các dạng burst profile khác nhau. 2.1.10 Lớp con hội tụ truyền dẫn Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền TC (transmission convergence). Lớp này thực hiện sự biến đổi các PDU (protocol data units) MAC độ dài có thể thay đổi vào trong các block FEC độ dài cố định (cộng thêm có thể là một block được rút ngắn vào đoạn cuối) của mỗi “burst”. Lớp TC có một PDU có kích thước khớp với block FEC hiện thời bị đầy. Nó bắt đầu với một con trỏ chỉ ra vị trí đầu mục PDU MAC tiếp theo bắt đầu bên trong block FEC. Khuôn dạng PDU TC cho phép đồng bộ hóa lại PDU MAC tiếp sau trong trường hợp block FEC trước đó có những lỗi không thể phục hồi được. Không có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một "burst" khi một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện. 33 Nói tóm lại với các nét đặc trưng của lớp vật lý nó sẽ có một số lợi ích như sau: ã Với phương pháp điều chế 256 point FFT OFDM, nó sẽ tạo ra những sự hỗ trợ cho việc xây dựng các địa chỉ mạng đa đường trong môi trường LOS ở vùng Outdoor và NLOS. ã Với khả năng thích ứng điều chế và phương pháp mã hóa có khả năng tự hiệu chỉnh lỗi trong một cụm RF, đã đảm bảo độ mạnh cho các kênh RF trong khi vẫn đảm bảo số bít / giây cho mỗi một khối các thuê bao là lớn nhất. ã Với việc hỗ trợ truy nhập TDD và FDD, thì việc thay đổi địa chỉ trên toàn diện rộng được quy định ở một nơi nào đó hoặc tất cả những nơi cho phép. ã Với độ mềm dẻo về kích thước của kênh, nó cung cấp tính mềm dẻo cần thiết cho sự hoạt động ở một số băng tần khác nhau với sự thay đổi kênh theo nhu cầu trên toàn thế giới. ã Với sự hỗ trợ của hệ thống anten smart, sẽ làm tăng khả năng triệt nhiễu như vậy hệ thống sẽ lớn lên và giá thành sẽ giảm xuống. Tất cả các đặc trưng trên đều là những yêu cầu thiết yếu cơ sở cho kỹ thuật FBWA outdoor hoạt động. Tính mềm dẻo của kích cỡ kênh cũng là một điều bắt buộc nếu nó muốn được thực thi trên phạm vi toàn thế giới. Khi mà trong dải phổ cho phép sự hoạt động trong hệ thống phải trả giá cước cho từng MHz, thì đó là vấn đề cấp thiết cho việc triển khai hệ thống sử dụng tất cả các phần của dải phổ và cung cấp tính mềm dẻo trong mạng tổ ong cellular. 2.2 Lớp MAC 2.2.1 Vấn đề về công nghệ Giao thức lớp MAC của IEEE 802.16 được thiết kế cho các ứng dụng truy nhập băng rộng không dây. Nó đáp ứng tốc độ dữ liệu cao trên cả hai tuyến uplink và downlink. Thuật toán truy nhập và cấp phát băng thông phải đáp ứng 34 hàng trăm thiết bị đầu cuối trên mỗi kênh trong đó mỗi thiết bị có thể được dùng chung bởi nhiều người dùng. Do vậy các dịch vụ phục vụ mỗi người dùng này là khác nhau, gồm có thoại và dữ liệu được ghép kênh theo thời gian, các kết nối IP hay VoIP. Để đáp ứng các dịch vụ khác nhau này lớp MAC phải đáp ứng cả hai dòng lưu lượng dạng liên tục (continuous) hay dạng xung (bursty). Ngoài ra những dịch vụ này phải đáp ứng cả QoS trên từng lưu lượng. Lớp MAC 802.16 cho phép một phạm vi ứng dụng rộng rãi từ các loại dịch vụ tương tự tới các dạng dịch vụ chuyển giao bất đồng bộ (ATM) cũng như các dạng mới như tốc độ khung được đảm bảo (GFR guaranteed frame rate). Giao thức lớp MAC cũng hỗ trợ các yêu cầu khác nhau của mạng backhaul như chuyển giao bất đồng bộ (ATM) hay các giao thức dựa trên gói dữ liệu. Lớp con hội tụ được sử dụng để ánh xạ các dòng lưu lượng từ lớp truyền tải tới lớp MAC, đây là một lớp dịch vụ mềm dẻo để mang bất cứ loại lưu lượng nào. Thông qua các đặc tính như chặn phần đầu tải tin, đóng gói, phân đoạn lớp hội tụ và lớp MAC có thể làm việc cùng nhau tạo một cơ chế truyền tải hiệu suất hơn. Vấn đề hiệu suất truyền tải cũng được đưa ra ở giữa lớp MAC và lớp PHY. Ví dụ như sơ đồ mã hóa và điều chế được chỉ ra ở burst profile có thể điều chỉnh tương ứng với mỗi dạng burst và mỗi thuê bao. Lớp MAC có thể sử dụng burst profile để đạt hiệu suất băng thông cao nhất với điều kiện tuyến truyền dẫn tốt. Cơ chế yêu cầu/ cấp phát (request/ grant) giúp cho mạng có thể mở rộng quy mô, đạt hiệu suất cao hơn. Hệ thống truy nhập 802.16 sẽ không giảm hiệu suất khi nó phục vụ nhiều kết nối trên mỗi thiết bị đầu cuối, đáp ứng nhiều mức QoS trên mỗi thiết bị đầu cuối và phục vụ số lượng người dùng lớn nhất. Trong khi việc cấp phát băng thông mở rộng và cơ chế QoS được chuẩn hóa thì chi tiết của việc lập lịch trình và cơ chế quản lý dành riêng chưa được chuẩn hóa cung cấp cho các nhà đầu tư cơ hội tạo sự khác biệt trong thiết bị của mình. Cùng với những nhiệm vụ cơ bản như định băng thông, truyền tải dữ liệu lớp MAC còn có lớp con bảo mật cung cấp sự xác thực mạng truy nhập và thiết lập kết nối tránh việc trộm dịch vụ, cung cấp sự trao đổi khóa và bảo mật dữ liệu 35 cá nhân. Để đáp ứng nhiều dạng lớp vật lý khác nhau và các yêu cầu dịch vụ khác nhau ở băng tần 2-11 GHz lớp MAC của 802.16a phải được nâng cấp để cung cấp yêu cầu lặp tự động (automatic repeat request ARQ) và hỗ trợ mạng lưới chứ không chỉ là kiến trúc mạng điểm - đa điểm. Lớp MAC gồm có ba lớp con: lớp hội tụ chuyên biệt dịch vụ giao tiếp với các lớp bên trên, nằm trên lớp MAC con phần chung thực hiện chức năng quan trọng của lớp MAC. Lớp bên dưới là lớp con bảo mật. Quản lý  liờn kết  ARQ  Bộ lập lịch  trỡnh  Bảo  mật  Quản lý MAC  Xử lý burst  hướng lờn  Lập lịch  burst  hướng  xuống  Lớp vật lý  điều khiển  quản lý kết  nối  Quản lý cấu  hỡnh  Hệ thống quản  trị mạng  Tập hợp cỏc  gúi hướng lờn  Phõn lớp gúi  hướng xuống  SSCS  CPS  Hàng đợi dựa trờn QoS  Kiến trỳc Service Flow  Lớp ứng dụng  PHY Hình 2.7: Sơ đồ khối chức năng lớp MAC 2.2.2 Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ Lớp con hội tụ chuyên biệt các dịch vụ nằm trên lớp MAC phần chung. Thông qua SAP lớp MAC phần chung sẽ cung cấp các dịch vụ cho lớp hội tụ phần chung. Chuẩn IEEE 802.16 xác định hai lớp con hội tụ chuyên biệt các dịch vụ để ánh xạ các dịch vụ tới và từ các kết nối lớp MAC. Lớp hội tụ phần chung thực hiện các chức năng cụ thể sau: 36 ã Nhận các PDU từ các lớp cao hơn. ã Thực hiện phân loại các PDU của các lớp trên. ã Xử lý các PDU dựa trên sự phân loại. ã Đưa các CS PDU đến các MAC SAP tương ứng. ã Nhận các CS PDU từ các thực thể ngang hàng. 2.2.2.1 Lớp con hội ATM Lớp con hội tụ ATM sử dụng cho các dịch vụ ATM, nhận các cell ATM từ các lớp ATM thực hiện phân lớp , chặn mào đầu tải tin, và đưa các CS PDU đến các MAC SAP tương ứng. 2.2.2.1.1 Dạng PDU Hình 2.8: Dạng PDU của lớp hội tụ con ATM PDU của lớp hội tụ con ATM có hai phần: phần mào đầu PDU và phần tảI tin PDU như hình 2.8. 2.2.2.1.2 Sự phân lớp Một kết nối ATM được xác định bởi hai giá trị nhận dạng đường ảo VPI (Virtual Path Identifier) và nhận dạng kênh ảo VCI (Virtual Channel Identifer) trong mô hình chuyển mạch theo đường hay chuyển mạch theo kênh. Trong mô hình chuyển mạch theo đường tất cả các VCI trong một VPI sẽ tự động được ánh xạ đến lối ra của VPI. Trong mô hình chuyển mạch theo kênh các giá trị VPI/VCI sẽ được ánh xạ đến các VPI/VCI tương ứng. Khi thực hiện chặn phần mào đầu tải tin thì sẽ phân biệt hai loại mô hình này riêng. Mô hình chuyển mạch VP Trong mô hình này trường VPI dành 12 bít cho giao tiếp mạng - mạng (NNI) và 8 bit cho giao tiếp người dùng - mạng (UNI) được ánh xạ tới CID 16 bit. Mào đầu ATM CS PDU Tải tin ATM CS PDU 37 Mô hình chuyển mạch VC Trong mô hình này trường VPI và VCI có tổng số 28 bit cho NNI và 24 bit cho UNI, cũng được ánh xạ tới CID. Tuy nhiên phạm vi của VPI/ VCI là 2 28 cho NNI và 2 24 UNI không được hỗ trợ cùng một lúc. 2.2.2.1.3 Chặn mào đầu tải tin (PHS payload header suppression) Chặn phần mào đầu tải tin, bản sao của phần mào đầu tải tin sẽ được loại bỏ ở bên gửi và được khôi phục tại bên nhận. Khi không có chặn mào đầu tải tin thì không một phần nào của phần mào đầu được loại bỏ kể cả HEC (Header Error Check). Khả năng này cung cấp sự toàn vẹn phần mào đầu cell. Việc có áp dụng PHS trong kết nối ATM hay không được chỉ ra trong thông điệp DSA-REQ ở quá trình tạo kết nối, đồng thời mô hình VPI hay VCI cũng sẽ được chỉ ra trong thông điệp này. PHS của kết nối ATM dựa trên chuyển mạch đường: Hình 2.9: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch đường PTI: payload type indicator CLP: cell loss priority PHS của kết nối ATM dựa trên chuyển mạch kênh: Hình 2.10: CS PDU trong kết nối ATM dựa trên chuyển mạch kênh Mào đầu Tải tin cell ATM ATM CS (48 bit) PTI CLP chưa sử dụng VCI (3 bit) (1 bit) (4 bit) (16 bit) Mào đầu Tải tin cell ATM ATM CS (48 bit) PTI CLP chưa sử (3 bit) (1 bit) dụng (4 bit) 38 2.2.2.1.4 Thủ tục báo hiệu Giao diện ATM hỗ trợ 3 loại kết nối: ã Kênh ảo chuyển mạch SVC ( switched virtual circuit) ã Kênh ảo cố định PVC (permanent virtual circuit ) ã Kênh ảo cố định mềm soft PVC (soft permanent virtual circuit) Từ “cố định” ám chỉ rằng kênh được thiết lập cho mục đích quản lý. Mặc dù cả PVC và Soft PVC đều được thiết lập để quản lý nhưng PCV dùng cho quá trình xử lý dự phòng còn soft PVC được sử dụng để báo hiệu. Mạng ATM sử dụng báo hiệu kênh chung (CCS common channel signaling) trong đó thông điệp báo hiệu được truyền trên những kết nối độc lập với kết nối của người sử dụng. Một kênh báo hiệu sẽ mang tín hiệu báo hiệu của một số người dùng nhất định. Kênh ảo chuyển mạch chịu trách nhiệm khởi tạo thủ tục báo hiệu bằng việc phát đi một thông điệp báo hiệu tương ứng và thực hiện việc ánh xạ các thông điệp báo hiệu ATM tới MAC CPS. Kênh ảo cố định mềm (soft PVC) được sử dụng trong hệ thống quản trị mạng. Kênh này có nhiệm cụ thiết lập và giải phóng kết nối khi cuộc liên lạc kết thúc hay trong trường hợp chuyển hệ thống hay tuyến liên kết bị lỗi. Bên cạnh đó cũng có nhiệm vụ chuyển thông điệp báo hiệu tới MAC CPS. 2.2.2.2 Lớp con hội tụ gói Lớp con hội tụ gói nằm trên lớp MAC CPS, dùng cho các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet, mạng LAN ảo (VLAN). Nhiệm vụ chính của lớp con này là phân loại đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) tới các kết nối MAC thỏa đáng, duy trì và cho phép các thông số QoS và cho phép cấp phát băng thông. Việc ánh xạ có rất nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào các loại dịch vụ. Ngoài các chức năng cơ bản này lớp con hội tụ có thể thực hiện các chức năng tinh vi hơn như chặn phần mào đầu tải tin và tái tạo nâng cấp hiệu suất tuyến truyền dẫn. Chức năng cụ thể như sau: 39 ã Phân lớp các PDU giao thức lớp cao hơn tới những kết nối tương ứng. ã Chặn phần mào đầu tải tin. ã Đưa các CS PDU tới các MAC SAP liên kết với các dòng dịch vụ để chuyển sang các MAC SAP ngang hàng. ã Nhận các CS PDU từ các MAC SAP ngang hàng. ã Xây dựng lại bất kỳ một thông tin nào của phần mào đầu tải tin. CS bên gửi sẽ chịu trách nhiệm đưa MAC SDU tới các MAC SAP. Lớp MAC sẽ đưa MAC SDU tới MAC SDU ngang hàng theo phù hợp với QoS, phân đoạn, ghép nối và các chức năng khác liên quan đến các đặc tính của dòng dịch vụ. Bên nhận sẽ chuyển các MAC SDU tới các lớp giao thức cao hơn. 2.2.2.2.1 Dạng MAC SDU Các PDU lớp cao hơn được bọc trong dạng MAC SDU như hình 2.11 Hình 2.11: Dạng MAC SDU Trong SDU có trường PHSI 8 bit là trường chỉ dẫn chặn mào đầu tải tin. Nếu giá trị trường này bằng 0 thì không có PHS trong SDU. 2.2.2.2.2 Sự phân lớp Phân lớp là một quá trình mà MAC SDU được ánh xạ tới các kết nối truyền dẫn cụ thể giữa các MAC ngang hàng. Việc ánh xạ các MAC SDU tới một kết nối tạo sự liên kết với các đặc tính của dòng dịch vụ của kết nối đó. Để có thể thực hiện phân lớp từng gói tin cần có các thông tin như thứ tụ ưu tiên phân lớp, 40 tham chiếu tới CID hay loại gói tin của các giao thức cụ thể (ví dụ như gói tin IP). Nếu không có các thông tin phân lớp này gói tin sẽ được đến những kết nối mặc định hoặc bị loại bỏ. Việc phân lớp có thể được thêm vào thông qua sự quản lý mạng hoặc thông qua sự hoạt động động (như báo hiệu động) hay giao thức SNMP. 2.2.2.2.3 Chặn mào đầu tải tin Chặn mào đầu tải tin là bản sao của thông tin mào đầu của lớp cao hơn sẽ được hủy bỏ ở bên gửi và được khôi phục lại ở bên thu. Mỗi SDU sẽ có PHSI( payload header suppression identify) chỉ ra trường chặn mào đầu tải tin PHSF ( payload header suppression field). PHS có một trường là PHSV (payload header suppression valid) để xác nhận phần tải tin trước khi chặn. PHS cũng có trường PHSM cho phép lựa chọn những byte sẽ không cần chặn. PHSM được sử dụng khi gửi những byte thay đổi như số chuỗi IP trong khi các byte khác không thay đổi. Bên gửi sử dụng các thông tin phân lớp để ánh xạ các gói tin trong các dòng dịch vụ. Việc ánh xạ các gói tin liên quan đến quy tắc PHS. Bên nhận sử dụng CID và PHSI để khôi phục PHSF. Mỗi PHSF được gán tới một PHSI, và sẽ không thay đổi. Để thay đổi giá trị PHSF trên dòng dịch vụ phải có các quy tắc PHS mới được đưa ra. Chỉ có các lớp trên mới có thể tạo ra các quy tắc PHS mới. 2.2.2.2.4 Quá trình chặn mào đầu tải tin Khi SS nhận được một gói tin từ lớp hội tụ gói, nó sẽ so sánh các byte trong mào đầu gói tin với các byte trong PHSF nếu phù hợp SS sẽ chặn các byte trong PHSF hướng lên ngoại trừ byte được che bởi PHSM. Sau đó SS gắn PHSI vào đầu PDU và gửi toàn bộ MAC SDU tới MAC SAP để truyền lên hướng lên. Khi một gói tin được nhận bởi BS , BS sẽ kiểm tra phần mào đầu chung.BS gửi PDU tới MAC SAP của CID đó. Lớp hội tụ gói sử dụng CID và PHSI để tìm ra PHSM, PHSF, PHSS. Sau đó BS tập hợp các gói tin và xử lý như một gói tin bình thường. 41 2.2.3 Lớp con phần chung (common part sublayer) Nói chung lớp MAC được thiết kế để hỗ trợ kiến trúc điểm - đa điểm với một BS trung tâm có thể xử lý nhiều sector độc lập cùng một lúc. Trên các tuyến hướng xuống dữ liệu tới SS được ghép kênh phân chia theo thời gian. Các tuyến hướng lên sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Lớp MAC 802.16 là lớp định hướng kết nối. Tất cả các dịch vụ không kết nối sẽ được ánh xạ tới một kết nối. Khả năng này cung cấp một cơ chế đáp ứng băng thông theo yêu cầu gán QoS và các thông số lưu lượng, quá trình truyền tải và định tuyến dữ liệu tới các lớp con hội tụ tương ứng. Các kết nối sẽ được chỉ ra bởi CID 16 bit và có thể yêu cầu băng thông liên tục hay băng thông theo yêu cầu. Mỗi SS có 48 bít địa chỉ MAC dùng để nhận dạng thiết bị. Trên lối vào mạng SS được gán 3 kết nối quản lý theo mỗi hướng. 3 kết nối này phản ánh các yêu cầu QoS khác nhau bởi các mức quản lý khác nhau. Kết nối đầu tiên là kết nối cơ bản được dùng để chuyển các thông điệp lớp MAC với thời gian ngắn, hay các thông điệp điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), quảng bá dữ liệu ban đầu, yêu cầu băng thông, ranging khởi đầu. Kết nối thứ hai là kết nối chính (primary) được sử dụng để chuyển các thông điệp với thời gian dài hơn và có thể có độ trễ, thường là các thông điệp xác thực hay thiết lập kết nối Cuối cùng là thông điệp quản lý thứ cấp được dùng để chuyển các thông điệp quản lý theo chuẩn như Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), Trival File Transfer Protocol (TFTP) và Simple Network Management Protocol (SNMP). Ngoài những kết nối quản lý này còn có kết nối truyền tải để mang lưu lượng người dùng Ngoài ra MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung cho những mục đích khác như sự truy nhập lúc khởi đầu trên cơ sở cạnh tranh, sự truyền quảng bá (broadcast) cho đường xuống cũng như cho báo hiệu kiểm tra tuần tự (polling). 2.2.3.1 MAC PDU Mô tả MAC PDU 42 MAC PDU là một đơn vị dữ liệu trao đổi giữa lớp MAC của BS và SS. MAC PDU gồm có một mào đầu MAC có chiều dài cố định, và phần tải tin có chiều dài biến đổi, phần CRC tùy chọn. Hình 2.12: MAC PDU Có hai dạng phần mào đầu, được phân biệt bởi trường HT. Một là phần mào đầu chung (generic header) và phần mào đầu yêu cầu băng thông (bandwidth request header). Phần mào đầu yêu cầu băng thông này không có phần tải tin đi kèm. MAC PDU chứa thông điệp quản lý lớp MAC hoặc dữ liệu lớp con hội tụ. Có 3 loại mào đầu con lớp MAC (subheader): ã Phần mào đầu con quản lý cấp phép được SS dùng để chuyển đổi các nhu cầu quản lý băng thông tới BS. ã Phần mào đầu con phân đoạn chứa các thông tin để chỉ ra sự hiện diện và định hướng trong phần tải tin của bất kỳ đoạn SDU nào. ã Phần mào đầu con đóng gói dùng để chỉ ra sự đóng gói của các SDU trong một PDU. 43  H T = 0  E C (1 )  R sv (1 )  C I( 1) R sv (1 )  m sb Hình 2.13: Cấu trúc khung phần mào đầu chung của MAC PDU Phần mào đầu con phân đoạn và cấp phép băng thông được chèn ở trong PDU ngay sau phần mào đầu chung và được chỉ ra bởi trường Type. Phần mào đầu con đóng gói được chèn trước mỗi SDU cũng được chỉ ra bởi trường Type. Tên Chiều dài ( bit) Mô tả CI 1 CRC Indicator 1: trong PDU có CRC 0: Không có CRC CID 16 Connection Identifier: Nhận dạng kết nối EC 1 Encryption Control 1: tải tin được bảo mật 0: tải tin không được bảo mật EKS 2 Encryption Key Sequence: dùng để chỉ ra số của khóa bảo mật lưu lượng và vector khởi đầu được dùng để bảo mật tải tin. Trường này chỉ có nghĩa khi trường điều khiển mã hóa bảo mật có giá trị bằng 1 HCS 8 Header Check Sequence Dùng để phát hiện lỗi trong header, được tạo ra bởi đa thức sinh: g(D)= D 8 - D 2 - D-1 HT 1 Header Type ( sẽ được thiết lập = 0) 44 LEN 11 Length Chiều dài được tính theo bytes MAC PDU gồm cả MAC header Type 6 Trường này chỉ ra loại tải tin xuất hiện trong phần mào đầu con Bảng 2.4: Các trường trong phần mào đầu chung GH  H T = 1 (1 )  E C = 0 (1 )  m sb Hình 2.14: Cấu trúc khung phần mào đầu yêu cầu băng thông Tên Chiều dài ( bít) Mô tả BR 16 Yêu cầu băng thông. Số lượng byte SS yêu cầu cho hướng lên. Yêu cầu băng thông cho một CID. Yêu cầu này không bao gồm phần mào đầu lớp vật lý CID 16 Nhận dạng kết nối EC 1 Luôn được thiết lập bằng 0 HCS 8 Chuỗi kiểm tra mào đầu HT 1 Loại header = 1 Type 6 chỉ ra loại mào đầu yêu cầu băng thông Bảng 2.5: Các trường trong phần mào đầu yêu cầu băng thông 45 Xây dựng MAC PDU: Chuẩn IEEE 802.16 đã lợi dụng việc kết hợp quá trình phân đoạn và đóng gói với quá trình cấp phát băng thông để tạo ra sự mềm dẻo và hiệu quả cao nhất. Chuẩn IEEE 802.16 cho phép sự phân đoạn và đóng gói xảy ra cùng lúc để nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông: ã Ghép nối: là quá trình ghép nối nhiều MAC PDU trong một lần truyền dẫn. Quá trình này được thực hiện cả ở hướng lên và hướng xuống. ã Phân đoạn: là quá trình phân chia một MAC SDU vào nhiều MAC PDU. Khả năng này hỗ trợ các dịch vụ mà MAC SDU có kích thước rất lớn như các ứng dụng truyền hình. Sự phân đoạn có thể được thực hiện ở cả hai hướng lên và hướng xuống. ã Đóng gói: là quá trình đóng gói nhiều MAC SDU vào một MAC PDU. Quá trình này cũng được thực hiện ở cả hướng lên và hướng xuống. 46 Hình 2.15: Xây dựng MAC PDU 47 Truyền dẫn MAC PDU: Lớp MAC của chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ các giao thức lớp cao hơn như ATM IP. Trên lối vào các MAC SDU từ các lớp con hội tụ tương ứng sẽ được tạo dạng theo dạng của MAC PDU tức là có thể được phân đoạn hay đóng gói trước khi được chuyển lên các các kết nối tương ứng phù hợp với giao thức lớp MAC. Sau khi được chuyển lên các tuyến truyền dẫn MAC PDU sẽ được khôi phục lại thành các SDU gốc, do vậy việc điều chỉnh dạng khung được thực hiện bởi lớp MAC là trong suốt đối với bên nhận dữ liệu. Hình 2.16: Mô tả PDU và SDU trong ngăn giao thức 2.2.3.2 Hỗ trợ lớp vật lý và cấu trúc khung MAC IEEE 802.16 hỗ trợ cả TDD lẫn FDD. Trong FDD, các đường xuống "continuous" (liên tục) và "burst" (không liên tục) đều được hỗ trợ. Các đường xuống “continuous” có tính đến các kỹ thuật nâng cao hiệu suất như “interleaving” (chèn). Các đường xuống “burst” (hoặc FDD hoặc TDD) cho phép sử dụng nhiều kỹ thuật nâng cao khả năng và dung lượng hơn như burst-profiling thích ứng mức thuê bao và các hệ thống ăngten cải tiến. 48 Dạng liên tục: các kênh hướng lên và hướng xuống sử dụng tần số khác nhau do vậy chúng có thể truyền tin và nhận tin cùng lúc. Ngoài ra việc truyền phát ở cả hai hướng không cố định độ dài của một khung. Trong loại hệ thống này các kênh hướng xuống sẽ truyền tin liên tục và các thuê bao cũng phải luôn luôn lắng nghe nó. Do đó lưư lượng được gửi theo cách quảng bá sử dụng TDM trong các kênh hướng xuống. Các kênh hướng lên sử dụng TDMA. Dạng burst: các kênh hướng lên và hướng xuống có thể sử dụng tần số riêng và dữ liệu hướng xuống truyền phát trong các burst. Độ dài khung là cố định cho cả hướng lên và hướng xuống. Tuy nhiên chúng có thể sử dụng các loại điều chế khác nhau và cũng cho phép sử dụng mô hình song công lẫn bán song công. MAC xây dựng khung con (subframe) của hướng xuống bắt đầu với một đoạn điều khiển khung có chứa các thông điệp DL-MAP và UL-MAP. Chúng chỉ ra những chuyển tiếp PHY trên hướng xuống cũng như sự cấp phát băng thông và các burst-profile ở hướng lên. DL-MAP luôn có thể ứng dụng cho khung hiện thời và luôn có độ dài tối thiểu là hai block FEC. Sự chuyển tiếp PHY đầu tiên được biểu thị trong block FEC đầu tiên, cho phép thời gian xử lý thích ứng. Trong cả hai hệ thống TDD và FDD, UL-MAP cung cấp các định vị bắt đầu không muộn hơn khung hướng xuống tiếp theo. Tuy vậy, UL-MAP có thể định vị sự khởi đầu khung hiện thời, miễn là những thời gian xử lý và những độ trễ toàn phần (round-trip delay) phải được giám sát. 2.2.3.3 Điều khiển tuyến vô tuyến (Radio link Control) Công nghệ nâng cấp lớp vật lý yêu cầu sự điều khiển tuyến vô tuyến cao cấp tương ứng đặc biệt là khả năng chuyển đổi từ dạng burst profile này sang dạng burst profile khác. RLC phải kiểm soát những khả năng này như chức năng truyền thống của RLC trong quá trình điều khiển công suất và ranging. RLC bắt đầu với việc quảng bá BS ở burst profile theo chu kỳ để lựa chọn tuyến lên và tuyến xuống. Đặc biệt dạng burst profile sử dụng trên mỗi kênh 49 được lựa chọn dựa trên một số nhân tố như mưa hay khả năng của thiết bị. Dạng burst profile ở hướng xuống có DIUC Downlink Interval Usage Code còn ở hướng lên có UIUC (Uplink Interval Usage Code). Trong quá trình khởi tạo SS thực hiện khởi tạo mức công suất và ranging bằng một yêu cầu RNG- REQ (ranging request message). Sự điều chỉnh thời điểm phát của SS cũng như công suất sẽ được đáp lại trong thông điệp RNG-RSP. Trong quá trình ranging và chỉnh công suất BS có thể phát thông điệp RNG-RSP tự nguyện để ra lệnh cho SS điều chỉnh công suất và định thời của nó Trong quá trình ranging khởi đầu SS sẽ yêu cầu được phục vụ trong tuyến xuống thông qua burst profile đặc biệt với việc phát đi sự lựa chọn DIUC của nó tới BS. Sự lựa chọn này dựa trên chất lượng tín hiệu hướng xuống nó nhận được, và được thực hiện trước hay trong quá trình ranging khởi đầu. BS có thể cho phép hoặc loại bỏ sự lựa chọn này trong thông điệp trả lời quá trình ranging. Tương tự như vậy BS sẽ giám sát quá trình chất lượng tín hiệu hướng lên nó nhận được từ SS. BS ra lệnh cho SS sử dụng các dạng burst profile hướng lên cụ thể bằng cách gộp burst profile UIUC trong thông điệp UL- MAP. Sau quá trình quyết định burst profile hướng lên và hướng xuống giữa BS và SS cụ thể, RLC sẽ tiếp tục giám sát điều khiển burst profile. Trong điều kiện khắc nghiệt như mưa làm mờ tín hiệu nó có thể bắt SS đưa ra yêu cầu burst profile mạnh hơn, trong điều kiện môi trường tốt nó có thể cho phép SS hoạt động với nhiều dạng burst profile mạnh hơn. RLC tiếp tục tạo sự thích nghi giữa burst profile tuyến lên và tuyến xuống của SS để đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và độ mạnh của burst profile. Vì BS liên tục giám sát điều khiển tín hiệu hướng lên nên việc thay đổi burst profile cho SS rất đơn giản, BS chỉ cần chỉ ra dạng burst profile trong UIUC khi nào cấp phép băng thông cho SS. Việc này loại bỏ nhu cầu báo xác nhận ACK vì SS luôn luôn nhận được cả UIUC và cấp phép do vậy không có sự không phù hợp giữa BS và SS. Trong tuyến hướng xuống, SS sẽ là bên giám sát chất lượng tín hiệu nhận được và cũng như vậy dạng burst profile có thể thay đổi, tuy nhiên BS sẽ điều khiển sự thay đổi này. Có hai phương pháp cho SS để yêu cầu sự thay đổi burst profile tuyến xuống 50 tùy thuộc vào việc SS hoạt động ở mô hình cấp phép trên mỗi kết nối hay cấp phép cho mỗi SS. ở phương pháp thứ nhất BS sẽ định ra khoảng cách duy trì giữa trạm và SS, SS có thể sử dụng thông điệp RNG - REQ để yêu cầu thay đổi dạng burst profile hướng xuống. Phương pháp được ưu tiên hơn là SS phát đi yêu cầu thay đổi burst profile hướng xuống DBPC-REQ (downlink burst profile request). BS có thể từ chối hoặc đồng ý thay đổi. Nhược điểm là giao thức này có thể bị lỗi bít (không thể khôi phục được nên phải rất cẩn thận trong quá trình xây dựng khung) 2.2.3.4 Polling Polling là một quá trình được BS sử dụng để định ra cơ hội yêu cầu băng thông cho SS. Khi BS muốn thông báo cho SS về một khả năng yêu cầu băng thông, nó sẽ sử dụng thành phần thông tin của thông điệp UL-MAP (UL-MAP IE). UL-MAP IE sẽ cấp đầy đủ băng thông cho SS hoặc SS được phép yêu cầu băng thông trong một khoảng thời gian đã chỉ ra. Cơ hội yêu cầu băng thông có thể được thực hiện theo dạng unicast, multicast hay broadcast. Polling được thực hiện trên kết nối cơ bản. Unicast Khi một SS được kiểm soát riêng, sẽ không có một thông điệp riêng nào được gửi tới nó để thực hiện quá trình polling. Việc chỉ ra băng thông cho SS sẽ được thực hiện trong UL-MAP. Nếu SS không cần băng thông nó sẽ nhồi đầy các bít 1 trong phần thông tin của UL-MAP (0xFF). Các SS hoạt động trong mô hình cấp phát băng thông cho từng SS (GPSS) sẽ có một kết nối cấp phát băng thông tự nguyện sẽ không cần thực hiện quá trình polling trừ khi chúng thiết lập bít Poll- Me trong phần mào đầu của gói tin thuộc kết nối UGS. Multicast và broadcast Nếu có nhiều SS cùng thiếu băng thông, các SS này sẽ được kiểm soát trong các thông điệp Polling multicast hay broadcast. Việc cấp phép băng thông sẽ được chỉ ra trong các kết nối broadcast hay multicast. 51 Khi quá trình polling được chỉ ra tại các thông điệp quảng bá hay multicast, một SS thuộc nhóm nhận được thông điệp này có thể yêu cầu băng thông trong khoảng thời gian đã được chỉ ra trong kết nối đó, yêu cầu này sẽ được gửi đi trong UL-MAP bởi phần thông tin yêu cầu (request IE). Để giảm khả năng xung đột với các thông điệp polling multicast và broadcast các yêu cầu của SS sẽ sử dụng cơ chế cạnh tranh lựa chọn một khe để truyền phát đi yêu cầu băng thông khởi đầu. Nhưng thông điệp yêu cầu không yêu cầu băng thông sẽ không được phát đi trong khoảng thời gian yêu cầu băng thông multicast và broadcast này. SS có thể cho rằng việc phát đi thông điệp của nó có thể không thành công nếu không có sự cấp phép nào mà nó nhận được sau khoảng thời gian timeout, nó sẽ liên tục phát đi yêu cầu nếu khoảng thời gian mà BS định ra chưa kết thúc. Bit Poll-Me SS sử dụng kết nối cấp phát băng thông tự nguyện sẽ thiết lập bít Poll-Me (trong phần mào đầu quản lý cấp phép) của gói tin MAC thuộc kết nối cấp phép tự nguyện (UGS). Thông thường các SS sẽ không yêu cầu băng thông nhưng khi muốn được tạo cơ hội yêu cầu băng thông SS sẽ phải thiết lập bít Poll-Me. Tuy nhiên việc yêu cầu băng thông cũng có thể xảy ra trong trường hợp mà các kết nối UGS không đáp ứng các thông số QoS nhất định. Một BS phát hiện ra yêu cầu này sẽ đáp ứng ngay. Để giảm khả năng bỏ lỡ bít poll- Me SS sẽ thiết lập tất cả các bít trong phần mào đầu quản lý cấp phép thuộc MAC UGS. 52 Hình 2.17: Sử dụng bit poll- me 2.2.3.5 Dịch vụ lập lịch trình hướng lên Mỗi kết nối ở hướng lên đều được ánh xạ tới dịch vụ lập lịch trình. Mỗi dịch vụ lập lịch trình này đều được liên kết với một loạt các quy tắc như sự chịu trách nhiệm của BS để định ra dung lượng tuyến lên, các giao thức yêu cầu cấp phép giữa SS và BS. Các chi tiết cụ thể và các dịch vụ lập lịch trình được sử dụng cho kết nối hướng lên sẽ được đàm phán trong thời điểm thiết lập kết nối. Dịch vụ cấp phép tự nguyện được sử dụng chính cho các dịch vụ thời gian thực, đồng bộ với các dòng dữ liệu có độ dài cố định trong khoảng thời gian định kỳ, như ATM tốc độ bít cố định, T1/E1 trên ATM hay VoIP. Trong các dịch vụ này BS đưa ra các những cấp phép cho những dữ liệu có chiều dài cố định được tạo ra theo chu kỳ. Khả năng này được đàm phán trong quá trình thiết lập kết nối, không cho phép SS gửi các yêu cầu xin băng thông. Dịch vụ kiểm soát vòng thời gian thực (real-time polling service) được đưa ra hỗ trợ các dòng dịch vụ thời gian thực với kích thước gói khác nhau theo chu kỳ ví dụ như hình ảnh MPEG. Dịch vụ này tạo ra những cơ hội yêu cầu các ứng dụng thời gian thực, chu kỳ hay đơn hướng, nó còn cho phép SS chỉ ra kích 53 thước cấp phép nó cần. Dịch vụ này yêu cầu nhiều phần mào đầu hơn dịch vụ cấp phép băng thông tự nguyện nhưng cho phép nhiều kích thước băng thông khác nhau, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng băng thông. Các dịch vụ kiểm soát không yêu cầu thời gian thực (The Non-Real- Time Polling Service (nrtPS) hỗ trợ các dòng dịch vụ không cần thời gian thực yêu cầu kích thước loại burst cấp phép dữ liệu khác nhau, ví dụ như yêu cầu băng thông cao hơn cho FTP. Dịch vụ này đưa ra sự kiểm soát vòng tại thời điểm yêu cầu, nó đảm bảo rằng các dòng lưu lượng nhận được cơ hội yêu cầu thậm chí trong thời gian mạng bị tắc nghẽn. BS sẽ kiểm soát CID nrtPS ở từng giây một hoặc ít hơn. Dịch vụ này thực hiện trên những kết nối có độ trễ lớn và ít nhậy cảm với trễ jiter, phù hợp với các ứng dụng như truy nhập internet với tốc độ đảm bảo tối thiểu và dùng cho những kết nối ATM GFR. Dịch vụ nỗ lực tốt nhất (Best Effort Service) là những dịch vụ không liên quan đến thông lượng, sự đảm bảo độ trễ nhất định. Các kết sử dụng cơ hội yêu cầu băng thông dựa trên sự cạnh tranh. Dịchvụ nỗ lực tốt nhất là dịch vụ sử dụng băng thông hiệu quả nhất vì nó không dành riêng băng thông cho các thuê bao hiện không cần đến. 2.2.3.6 Cấp phát và yêu cầu băng thông Yêu cầu đưa ra một cơ chế cho phép SS chỉ ra cho các BS rằng chúng cần thêm băng thông ở hướng lên. Yêu cầu này có thể được tạo ra độc lập hay l;à thông điệp Piggybacked Request Bởi vì các burst profile có thể thay đổi động, tất cả các yêu cầu xin băng thông sẽ được tạo nên bởi số lượng byte cần thiết được mang trong phần header hay trong phần tải tin nhưngkhông có trong phần mào đầu lớp vật lý. Yêu cầu băng thông chỉ được truyền đi trong khoảng thời gian sau: + Request IE + Bất kỳ Data Grant Burst Type IE Yêu cầu băng thông có thể là xin thêm băng thông hay giảm bớt băng thông. Khi BS nhận được yêu cầu xin thêm băng thông. Nó sẽ thêm một lượng 54 băng thông nhất định cho kết nối đang cần. Khi BS nhận được yêu cầu cắt bớt băng thông nó sẽ thay thế lượng băng thông hiện tại bằng lượng băng thông cần thiết. Trong phần mào đầu yêu cầu băng thông sẽ có một trường type chỉ ra loại yêu cầu băng thông. Tuy nhiên yêu cầu băng thông Piggybacked không có trường này nên yêu cầu băng thông Pggybacked luôn dùng để xin thêm băng thông. Bản chất tự sửa lỗi của giao thức yêu cầu /cấp phép yêu cầu các SS phải sử dụng yêu cầu giảm bớt băng thông theo chu kỳ. Khoảng chu kỳ này là một chức năng của dịch vụ QoS của các dịch vụ và chất lượng tuyến truyền dẫn. Yêu cầu băng thông sẽ được truyền trong các Request IE quảng bá hay multicast. Lớp MAC chuẩn 802.16 cung cấp hai phân lớp SS, phân biệt với nhau bởi khả năng cấp phép băng thông cho từng kết nối (grant per connection GPC) hay cho toàn bộ SS (grant per SS GPSS). Cả hai yêu cầu băng thông phân lớp SS trên từng kết nối cho phép thuật toán lập lịch trình hướng lên quan tâm thỏa đáng đến QoS khi định ra băng thông. Với sự cấp phép trên từng kết nối của lớp SS, băng thông được cấp cho từng kết nối riêng của SS và SS chỉ được sử dụng cho kết nối đó. RLC và các giao thức quản lý khác sẽ sử dụng băng thông dành riêng cho kết nối quản lý. Với việc cấp phép cho từng SS, các SS khác nhau có thể sử dụng băng thông thống nhất chung trong mỗi sự cấp phép. Các GPSS SS cần phải thông minh hơn trong việc xử lý QoS, nó phải biết sử lý băng thông trên từng kết nối. Ví dụ nếu trạng tháI QoS của nột kết nối nào đó thay đổi tính từ lần xin cấp phép cuối cùng nó sẽ sử dụng nhiều băng thông cho những dữ liệu yêu cầu QoS cao hơn bằng cách lấy thêm băng thông của những kết nối có QoS thấp hơn. Cấp phép băng thông cho từng SS (GPSS) chỉ sử dụng cho lớp vật lý 10- 66 GHz. Với cả hai phương pháp cấp băng thông này lớp MAC đều sử dụng giao thức self-correcting chứ không dùng giao thức báo nhận ACK, nên chỉ cần sử dụng băng thông ít hơn. Hơn nữa giao thức báo nhận ACK cần quan tâm đến thời gian, độ trễ. Tuy nhiên phương pháp self- correcting có nhược điểm là có thể xảy ra trường hợp băng thông sẽ không được cấp theo yêu cầu khi có một số lỗi sau: 55 + BS không nhận được yêu cầu do lỗi lớp vật lý không thể sửa được hoặc do xung đột trong quá trình cạnh tranh. + SS không thấy được cấp phép do lỗi vật lý không phát hiện ra. + BS không có đủ băng thông sẵn sàng. Để đạt được hiệu suất băng thông cao nhất, BS không chỉ có thể cấp băng thông cho SS mà cũng có thể thu hồi băng thông mà SS không sử dụng. SS sẽ luôn thông tin cho BS tổng số băng thông hiện đang sử dụng cho mỗi kết nối, nhờ đó BS sẽ có thể cấp phép lại băng thông cho SS nếu SS không tận dụng hết băng thông hiện có. Đối với các tuyến E1/T1 SS không cần yêu cầu băng thông, băng thông sẽ được cấp cho SS một cách tự nguyện. 2.2.3.7 Thu nhận kênh Giao thức MAC bao gồm một thủ tục khởi tạo được thiết kế để loại trừ nhu cầu cấu hình thủ công. Vào lúc cài đặt, một SS bắt đầu quét danh sách tần số của nó để tìm ra một kênh hoạt động. Nó có thể được chương trình hoá để đăng ký với một BS xác định, tham chiếu đến một broadcast ID BS (có khả năng chương trình hoá). Đặc tính này giúp ích cho việc triển khai nơi mà SS có thể "nghe" (nhận biết) một BS thứ cấp do sự giảm âm có chọn lọc hoặc khi SS bắt được một “sidelobe“ của một ăngten BS gần ngay cạnh. Sau khi quyết định trên kênh nào, SS cố gắng thử đồng bộ hoá sự truyền đường xuống do phát hiện ra các đoạn đầu khung theo chu kỳ (periodic frame preambles). Một khi lớp vật lý được đồng bộ hoá, SS sẽ tìm kiếm những thông báo UDC và DCD quảng bá định kỳ cho phép SS nhận biết sự điều chế và các kế hoạch FEC sử dụng trên sóng mang. Sau khi đăng ký SS sẽ có một địa chỉ IP thông qua DHCP và thiết lập thời gian trong ngày thông qua Internet Time Protocol. DHCP server cũng sẽ cung cấp địa chỉ của TFTP server nhờ đó SS có thể yêu cầu cấu hình file. Các file này cung cấp giao diện chuẩn đưa ra thông tin cấu hình đặc trưng của nhà sản xuất. 56 2.2.3.8 Thiết lập kết nối Chuẩn 802.16 sử dụng các dòng dịch vụ để xác định sự truyền tải theo một hướng duy nhất của các gói tin trên tuyến lên hoặc tuyến xuống. Các dòng dịch vụ này được mô tả bởi một tập các thông số QoS như trễ, độ jiter. Mỗi dòng dịch vụ được kích hoạt sẽ được ánh xạ tới một kết nối lớp MAC với một CID duy nhất Nhìn tổng thể, việc cài đặt các luồng dịch vụ trong IEEE 802.16 được khởi tạo bởi BS trong thời gian khởi tạo CPE. Tuy vậy các luồng dịch vụ có thể cũng được thiết lập động bởi BS hoặc CPE. Điển hình CPE chỉ khởi tạo các luồng dịch vụ nếu có một kết nối được báo hiệu động như một SVC (switched virtual connection) từ một mạng ATM. Sự thiết lập các luồng dịch vụ được thực hiện thông qua một giao thức “three-way handshaking" (bắt tay ba bước) mà tại đó yêu cầu thiết lập luồng dịch vụ được đáp ứng và sự đáp lại đó được xác nhận. Nói chung các dòng dịch vụ này lưu trữ trước và việc thiết lập dịch vụ này được khởi đầu bởi sự khởi đầu của BS hoặc SS. Tuy nhiên các dòng dịch vụ có thể được thiết lập động bởi BS hoặc SS. SS sẽ chỉ khởi đầu các dòng dịch vụ này khi có những kết nối động như kết nối ảo chuyển mạch SVC ( swichted virtual connection) từ mạng ATM. Việc thiết lập các dòng dịch vụ được thiết lập thông qua quá trình bắt tay 3 bước gồm có yêu cầu thiết lập dòng dịch vụ, thông điệp đáp lại và thông điệp xác nhận sự đáp lại. 2.2.3.9 Quyết định cạnh tranh BS điều khiển việc căn chỉnh ở các kênh hướng lên thông qua UL-MAP và quết định việc canh tranh dựa trên minislot (1 minislot = 2PS). Xung đột xảy ra trong quá trình duy trì khởi đầu và khoảng yêu cầu được xác định bởi các IE tương ứng. Sự xuất hiện xung đột trong khoảng yêu cầu phụ thuộc vào CID trong IE tương ứng. Phần này sẽ mô tả sự truyền dẫn ở hướng lên và những quyết định cạnh tranh. Mỗi SS có nhiều dòng dịch vụ mỗi dòng dịch vụ có một CID riêng. Việc cạnh tranh sẽ quyết định trên CID hay trên các thông số về QoS. 57 Quyết định cạnh tranh dựa trên một của sổ lùi (backoff window) khởi đầu và một cửa sổ lùi với kích thước lớn nhất được kiểm soát bởi BS. Giá trị cụ thể được chỉ ra trong trong thông điệp UCD và có hai giá trị mức công suất. Ví dụ nếu trong cửa sổ có giá trị là 4 thì SS sẽ được truyền tin trong một cửa sổ thuộc khoảng 0 – 15, giá trị bằng 10 SS truyền tin trong phạm vi cửa sổ là từ 0- 1023. Khi SS có tin muốn gửi đi và muốn tham gia vào quá trình cạnh tranh nó sẽ thiết lập một cửa sổ lùi trong yêu cầu khởi đầu hay trong khoảng thời gian ranging ban đầu. SS lựa chọn một số ngẫu nhiên trong cửa sổ lùi của nó. Giá trị ngẫu nhiên này chỉ ra số lượng cơ hội truyền dẫn cạnh tranh mà SS sẽ phải nhượng bộ trước khi được phép truyền tin. Việc truyền tin của SS được quyết định bởi Request IE, trong mỗi IE có nhiều cơ hội truyền dẫn được chỉ ra. Ví dụ trong yêu cầu băng thông giá trị cửa sổ của SS là 11 nằm trong phạm vi 0- 15 SS sẽ phải nhường 10 cơ hội truyền tin cho các thuê bao khác. Nếu trong Request IE đầu tiên chỉ ra 6 cơ hội, SS không được phép sử dụng và nó phải đợi thêm 5 cơ