Đồ Án Tìm hiểu WiMAX và một số mô hình triển khai

Lời nói đầu
Một vài năm trở lại đây, các công nghệ băng rộng không dây được đề cập đến nhiều và được coi là một trong những giải pháp cho nhiều loại hình mạng. Trong quá trình học tập tại trường đại học Bách khoa Hà Nội cũng như thực tập tại công ty cổ phần thương mại năng lượng viễn thông TET, em đã được tiếp xúc, được đọc, tham khảo những tài liệu về các công nghệ này. Một công nghệ băng rộng không dây mới xuất hiện và có những ưu điểm vượt trội so với các công nghệ đi trước nó là công nghệ WiMAX. Công nghệ WiMAX dù mới được đưa vào thử nghiệm triển khai nhưng nó hứa hẹn là một công nghệ cách mạng trong lĩnh vực không dây. Dựa trên sự hợp chuẩn của hai tổ chức chuẩn hóa lớn nhất thế giới là IEEE và ETSI cũng như sự hậu thuẫn của hàng loạt các công ty lớn trên thế giới như Intel, Alvarion chắc chắn rằng trong tương lai không xa, WiMAX sẽ trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Đối với Việt Nam, WiMAX có thể được coi là một giải pháp đi tắt đón đầu và hoàn toàn phù hợp với hoàn cảnh nước ta.
Để tìm hiểu về một công nghệ vẫn còn mới mẻ và đầy tiềm năng, em đã thực hiện đề tài “Tìm hiểu WiMAX và một số mô hình triển khai”.
Do thời gian có hạn và đây cũng là một công nghệ mới, phức tạp, hơn nữa kiến thức của bản thân em vẫn còn nhiều hạn chế nên chắc chắn rằng đề tài sẽ không thể tránh khỏi những sai sót. Mong các thầy, cô, các bạn góp ý cho em để em có hiểu biết sâu, rộng hơn về công nghệ này.
Đầu tiên, con xin cảm ơn bố mẹ, những người đã sinh thành, nuôi dưỡng, thương yêu và chăm sóc để con có được như hiện nay.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo khoa Điện tử viễn thông, các thầy cô giáo trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Em xin cảm ơn thầy Vương Hoàng Nam, người đã hướng dẫn, định hướng, góp ý cho em nhiều điều vô cùng quý báu trước và trong quá trình em thực hiện đề tài này.
Xin cảm ơn công ty cổ phần thương mại năng lượng viễn thông TET đã tạo điều kiện, cung cấp tài liệu, giải đáp, góp ý cho em về đề tài này trong quá trình thực tập.

MỤC LỤC
Lời nói đầu----------------------------------------------------------------------------7
Phần I-Cơ sở lý thuyết và kĩ thuật của WiMAX------------------------------8
Chương 1-Tổng quan về mạng WiMAX----------------------------------------8
1.1-Công nghệ băng rộng không dây--------------------------------------------8
1.1.1-Thế nào là công nghệ băng rộng không dây-------------------------8
1.1.2-Lợi ích của công nghệ băng rộng không dây-------------------------9
1.2-Giới thiêu về WiMAX--------------------------------------------------------9
1.2.1-Khái niệm WiMAX-----------------------------------------------------9
1.2.2-Đặc điểm của công nghệ WiMAX-----------------------------------11
1.2.3-Một số ứng dụng của WiMAX---------------------------------------12
1.2.4-Giới thiệu các chuẩn 802.16 của IEEE------------------------------13
1.2.4.1-Chuẩn 802.16-2001-----------------------------------------------13
1.2.4.2-Chuẩn 802.16a-2003---------------------------------------------14
1.2.4.3-Chuẩn 802.16c-2002---------------------------------------------16
1.2.4.4-Chuẩn 802.16-2004-----------------------------------------------16
1.2.4.5-Chuẩn 802.16e và mở rộng--------------------------------------17
1.3-So sánh WiMAX với một số công nghệ không dây khác--------------18
1.4-Một số mô hình mạng WiMAX--------------------------------------------18
1.4.1-Mô hình mạng WiMAX cố định (Fixed WiMAX)----------------18
1.4.2-Mô hình mạng WiMAX di động (Mobile WiMAX)--------------20
Chương 2-Cơ sở kĩ thuật trong WiMAX--------------------------------------21
2.1-Băng tần sử dụng trong WiMAX------------------------------------------21
2.2-Mô hình tham chiếu---------------------------------------------------------21
2.3-Cơ chế hoạt động của WiMAX--------------------------------------------23
2.3.1-Thu nhận kênh----------------------------------------------------------23
2.3.2-Ranging và thoả thuận về khả năng của SS-------------------------23
2.3.3-SS xác thực và đăng kí------------------------------------------------25
2.3.4-Kết nối IP----------------------------------------------------------------25
2.3.5-Thiết lập kết nối--------------------------------------------------------26
2.3.6-Điều khiển kết nối vô tuyến (RLC)----------------------------------27
2.4-Lớp vật lý---------------------------------------------------------------------30
2.4.1-Các đặc tả của lớp vật lý----------------------------------------------30
2.4.2-Tần số làm việc và độ rộng kênh truyền----------------------------31
2.4.3-Xây dựng khung--------------------------------------------------------32
2.4.4-Mô hình hoạt động FDD----------------------------------------------33
2.4.5-Mô hình hoạt động TDD----------------------------------------------33
2.4.6-Lớp vật lý hướng xuống-----------------------------------------------34
2.4.7-Lớp vật lý hướng lên---------------------------------------------------36
2.4.8-Kiểm soát lỗi------------------------------------------------------------37
2.4.9-Kiểm soát hệ thống vô tuyến-----------------------------------------38
2.4.9.1-Kỹ thuật đồng bộ-------------------------------------------------38
2.4.9.2-Kiểm soát tần số--------------------------------------------------38
2.4.9.3-Điều khiển công suất---------------------------------------------38
2.4.9.4-Điều chế và mã hóa thích ứng----------------------------------39
2.5-Lớp MAC---------------------------------------------------------------------40
2.5.1-Giới thiệu----------------------------------------------------------------40
2.5.2-Lớp con chuyên biệt dịch vụ (CS)-----------------------------------41
2.5.2.1-Khái niệm về CID------------------------------------------------41
2.5.2.2-Vị trí và chức năng lớp CS--------------------------------------41
2.5.2.3-Lớp con hội tụ ATM---------------------------------------------43
2.5.2.4-Lớp con hội tụ gói------------------------------------------------43
2.5.3-Lớp con phần chung (MAC CPS)------------------------------------44
2.5.3.1-Giới thiệu----------------------------------------------------------44
2.5.3.2-MAC PDU---------------------------------------------------------45
2.5.4-Lớp con bảo mật--------------------------------------------------------50
2.5.4.1-Giới thiệu lớp con bảo mật--------------------------------------50
2.5.4.2-Phối hợp bảo mật (SA)-------------------------------------------50
2.5.4.3-Giao thức PKM---------------------------------------------------51
2.5.4.4-Vấn đề sử dụng khóa---------------------------------------------55
2.5.4.5-Phương pháp bảo mật--------------------------------------------56
2.6-Lớp hội tụ truyền dẫn (TC)-------------------------------------------------58
Chương 3-An ninh mạng trong WiMAX--------------------------------------59
3.1-Khái niệm về an ninh mạng------------------------------------------------59
3.1.1-Các vấn đề về an ninh mạng------------------------------------------59
3.1.2-Các cuộc tấn công mạng----------------------------------------------59
3.2-Những điểm yếu về mặt giao thức-----------------------------------------61
3.2.1-Thiếu sự xác thực hai chiều-------------------------------------------61
3.2.2-Lỗi trong quản lý khóa------------------------------------------------61
3.2.3-Lỗi trong việc bảo vệ dữ liệu-----------------------------------------61
3.3-Các cuộc tấn công mới trong WiMAX-----------------------------------61
3.3.1-Nền tảng công nghệ của các cuộc tấn công-------------------------61
3.3.2-Lớp MAC đối với vấn đề an ninh mạng----------------------------63
3.3.3-Ví dụ về một số cuộc tấn công tiềm ẩn trong WiMAX-----------64
3.3.3.1-Cuộc tấn công sử dụng thông điệp RNG-RSP----------------64
3.3.3.2-Cuộc tấn công vào thông điệp thông báo quyền ko hợp lệ--68
3.4-Cải tiến mới về bảo mật trong WiMAX----------------------------------71
3.4.1-Giao thức PKM v2-----------------------------------------------------71
3.4.1.1-Xác thực hai chiều dựa trên public-key------------------------72
3.4.1.2-Trao quyền lẫn nhau dựa trên EPA trong PKM v2----------73
3.4.1.3-Phân cấp khóa-----------------------------------------------------75
3.4.2-Sử dụng mô hình CCM cho 802.16 MPDUS-----------------------75
Chương 4-Vấn đề QoS trong WiMAX-----------------------------------------77
4.1-Thách thức đặt ra với vấn đề QoS-----------------------------------------77
4.2-Cơ cấu kỹ thuật của QoS----------------------------------------------------77
4.2.1-FDD/TDD/OFDM-----------------------------------------------------77
4.2.2-Sửa lỗi trước (FEC)----------------------------------------------------79
4.2.3-Vấn đề băng thông-----------------------------------------------------79
4.2.4-Vai trò của OFDM trong WiMAX-----------------------------------84
4.2.5-QoS là chỉ số kĩ thuật của WiMAX----------------------------------84
4.2.5.1-Lý thuyết hoạt động----------------------------------------------84
4.2.5.2-Các lưu lượng dịch vụ--------------------------------------------85
4.2.5.3-Sơ đồ khối cơ chế hoạt động QoS------------------------------87
4.2.5.4-Các lớp dịch vụ---------------------------------------------------87
4.2.5.5-Xác thực------------------------------------------------------------88
Phần II-Triển khai WiMAX-----------------------------------------------------92
Chương 5-Các mô hình triển khai WiMAX----------------------------------92
5.1-Mô hình kết nối tổng quát--------------------------------------------------92
5.1.1-Trạm gốc-WiMAX BS (Base Station)------------------------------92
5.1.2-Trạm thuê bao----------------------------------------------------------94
5.1.3-Trung tâm quản lý------------------------------------------------------94
5.2-Các mô hình triển khai ứng dụng------------------------------------------96
5.2.1-Mô hình ứng dụng cho mạng truy nhập-----------------------------96
5.2.2-Mô hình ứng dụng cho mạng trục------------------------------------97
5.2.3-Mô hình kết hợp với WiFi--------------------------------------------97
Chương 6-Triển khai WiMAX trên các công trình biển-------------------99
6.1-Nhu cầu triển khai WiMAX trên các công trình biển-------------------99
6.2-Khảo sát và tính toán triển khai------------------------------------------100
6.2.1-Khảo sát địa hình-----------------------------------------------------100
6.2.2-Khảo sát môi trường--------------------------------------------------102
6.2.3-Tính toán đường truyền----------------------------------------------103
6.3-Đặc điểm và thông số kỹ thuật của một số thiết bị sử dụng----------105
6.3.1-CBS 5000-WiMAX Base Station-----------------------------------105
6.3.2-SSU 5000-WiMAX Subscriber Station----------------------------107