Luận văn Mạng WiMAX và thử nghiệm ở Việt Nam

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ----------------------------------- NGUYỄN THỊ THỦY MẠNG WIMAX VÀ THỬ NGHIỆM Ở VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN THÁI NGUYÊN - 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ----------------------------------- NGUYỄN THỊ THỦY MẠNG WIMAX VÀ THỬ NGHIỆM Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ BÁ DŨNG THÁI NGUYÊN - 2008 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC .......................................................................................................... DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. DANH SÁCH BẢNG BIỂU ............................................................................... DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................... MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ............................... 3 1.1. Tổng quan về mạng không dây băng rộng ............................................... 3 1.1.1. Các khái niệm về mạng không dây băng rộng ................................... 3 1.1.2. Vài nét về những mạng không dây đang tồn tại ................................ 4 1.2. Khái niệm về công nghệ WiMAX ........................................................... 6 1.2.1. WiMAX là gì? ................................................................................... 6 1.2.2. Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16.................................................... 7 & tầm nhìn hạn chế (LOS & NLOS) ..... 8 1.2.4. Các mô hình ứng dụng ................................................................... 10 .......................................... 13 .......................................................................... 14 1.4. Cấu hình mạng ..................................................................................... 14 1.4.1. Cấu hình điểm – điểm PP ............................................................... 14 1.4.2.Cấu hình điểm-đa điểm PMP........................................................... 15 1.4.3. Cấu hình mắt lưới MESH ............................................................... 15 CHƢƠNG 2. LỚP PHY & MAC CỦA CHUẨN 802.16............................... 17 2.1. Chuẩn IEEE 802.16e (IEEE 802.16-2005) ........................................... 18 2.1.1.Lớp vật lý ........................................................................................ 18 2.1.2.Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) .................................... 26 2.2. Chuẩn IEEE 802.16e (IEEE 802.16-2005) ........................................... 35 2.2.1. Lớp vật lý ....................................................................................... 35 ............................................................................... 38 IMAX ............................... 41 3.1. OFDM ................................................................................................. 41 3.1.1. OFDM Symbol ............................................................................... 42 .. 43 ........................................................... 45 3.2. OFDMA ............................................................................................... 48 3.2.1. OFDMA Symbol ............................................................................. 48 .................. 52 ten thông minh.......................................................... 53 ................................................................. 55 ............................................................. 56 (Roaming) ............................................ 56 CHƢƠNG 4. CÁC VẤN ĐỀ BẢO MẬT TRONG WiMAX..................... 61 4.1. Giới thiệu lớp con bảo mật ................................................................... 61 4.2. Giao thức quản lý khóa PKM ............................................................... 63 4.2.1. Tổng quan sự cấp phép SS và sự trao đổi khóa AK ......................... 64 4.2.2. Tổng quan sự trao đổi TEK ............................................................ 66 4.3. Các sử dụng khóa ................................................................................. 69 4.3.1. Sự sử dụng khóa của BS ................................................................. 69 4.3.2. Sự sử dụng khóa của SS .................................................................. 72 4.4. Các phương thức mã hóa ...................................................................... 75 4.4.1. Các phương thức mã hóa dữ liệu .................................................... 75 4.4.2. Mã hóa TEK ................................................................................... 75 4.4.3. Nguồn ngốc của các TEK, KEK, .................................................... 76 CHƢƠNG 5. TRIỂN KHAI HỆ THỐNG WiMAX TẠI LÀO CAI ............. 77 5.1. Các thiết bị cần thiết để triển khai mạng WiMAX ................................ 77 5.1.1. Trạm gốc – WiMAX Base Station ................................................... 77 5.1.2. Trạm thuê bao................................................................................. 77 5.1.3. Trung tâm quản lý .......................................................................... 77 5.2. Dự án thử nghiệm công nghệ WiMAX tại Lào Cai............................... 79 5.2.1. Mô hình triển khai thử nghiệm WiMAX pha 1 tại TP Lào Cai ......... 81 5.2.2. Mô hình triền khai thử nghiệm WiMAX pha 2 ................................. 92 ....................................................112 KẾT LUẬN ....................................................................................................114 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................117 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3-DES Tripple – Data Encryption Standard - ACK Acknowledgement Bản tin ACK ADC Analog to digital converter Bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số AES Advanced Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích nghi AK Authentication Key AM Amplitude modulation Điều chế biến độ AMC Adaptive modulation and coding Điều chế và mã hóa thích nghi AP Access Point ARQ Automatic Retransmission Request Yêu cầu truyền lại tự động ASN Access Service Network ASP Aplication Service Network ATM Asynchronous transfer mode Chế độ truyền dị bộ BER Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bit bps Bit per second Số bít trên giây BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base station Trạm gốc BW bandwidth Băng thông BWA Broadband Wireless Access Truy cập không dây băng rộng C/I Carrier – to – Interference Ratio Tỷ số tín hiệu/xuyên nhiễu CA Certification authority Quyền Chứng thực CDMA Code division multiplex access Đa truy nhập phân chia theo mã CID Connection Identifier Bộ nhận dạng kết nối CINR Carrier to Interference +Noise Ratio Tỷ lệ nhiễu và tạp nhiễu của sóng mang CPE Customer Premise Equipment Thiết bị tại nhà khách hàng CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung CQICH Channel Quality Information Channel Kênh thông tin chất lượng kênh CRC Cyclic redundancy check Kiểm tra dư thừa vòng CS Convergence sublayer Lớp con hội tụ CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập dò sóng mang CSN Connectivity Service Network DBMS Database Management System Hệ thống quản lý dữ liệu DCD Downlink channel description Mô tả kênh đường xuống DES Data encryption standard Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình máy chủ động DL Downlink Đường xuống DSL Digital Subscriber Line EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức nhận thực mở rộng ECB Electronic code book Bảng mật mã điện tử EDE Encrypt-Decrypt-Encrypt Mật mã-giải mã-mật mã FCH Frame control header Mào đầu điều khiển khung FDD Frequency Division Duplexing Song công theo tần số FDMA Frequency division multiple access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Mã hóa sử lỗi trước FFT Fast Fourier transform Biến đổi Fourier nhanh FM Frequency Modulation Điều tần FUSC Full usage of subcarriers Sử dụng toàn bộ sóng mang con FWA Fixed wireless access Truy nhập không dây cố định HARQ Hybrid ARQ ARQ lai HIPERLAN High Performance Local Area Network Mạng LAN hiệu suất cao HMAC Hash – based message authentication code Mã nhận thực bản tin hash IEEE Institute for Electrical and Electronic Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử (Mỹ) IFFT Inversion Fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh IP Internet protocal Giao thức Internet ISI Inter – symbol interference Nhiễu liên ký hiệu KEK Key encryption key Khoá Mật mã Khoá LAN Local Area Network Mạng cục bộ LLC Logical Link Control Điều khiển kết nối logic LOS Line of sight Tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Layer Lớp điều khiển truy cập môi trường MAN Metropolitan area network Mạng khu vực đô thị MAP Media Access Protocol Giao thức truy cập môi trường MBWA MDHO Macro Diversity Handover Chuyển giao đa dạng riêng MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lý MIC Ministry of Information and Communications Bộ thông tin và truyền thông MIMO Multi input Multi output Đa đường vào đa đường ra MS Mobile station Thiết bị di động NAP Network Access Provider Nhà cung cấp mạng truy nhập NLOS Non Light of Sight Truyền sóng không trực xạ NMS Network Refence Provider Phần mềm quản lý hệ thống NRM Network Reference Module Mô hình tham chiếu mạng NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng ODU Outdoor Unit Thiết bị ngoài trời OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal frequency division multiple access Đa truy nhập chia tần số trực giao OSI Open system inter – connect Kết nối liên hệ thống mở PAN Personal Access Network Mạng truy nhập cá nhân PC Personal Computer Máy tính cá nhân PDA Protocol Data Unit Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân PDU Protocol data unit Đơn vị dữ liệu thủ tục PER Packet Error Rate Tỷ lệ lỗi gói PHS Packet header suppression Nén tiếp đầu gói PHY Physical Layer Lớp vật lý PIN Personal Identification Number Số nhận dạng cá nhân PKM Privacy key management Quản lý khoá riêng PMP Point - to - multipoint Điểm - Đa điểm PN Pseudo Noise Nhiễu giả PP Point-to-Point Điểm-Điểm PS Physical slot Khe vật lý PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PUSC Partially Used Sub-Carrier Sóng mang con sử dụng riêng QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature phase shift keying Khóa dịch pha cầu phương RF Radio frequency Tần số vô tuyến RSA Rivest, Shamir, Adleman Tên của 3 nhà phát minh RSP Response Trả lời RTG Receive/Transmit Transition Gap Khoảng trống chuyển tiếp Thu/phát Rx Reception Thu SA Security association Tập hợp bảo mật SAID Security association identifier Bộ nhận dạng tập hợp bảo mật SAP Service access point Điểm truy nhập dịch vụ SC Single carrier Kênh mang đơn SDU Service data unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SF Service flow Luồng dịch vụ SFID Service Flow Identifier Bộ Nhận dạng Luồng Dịch vụ SHA Secure Hash Algorithm Thuật toán „băm‟ SIM Subscriber Identify Module Module nhậnd ạng thuê bao SM Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian SNMP Simple Network Management Protocol Thủ tục quản lý mạng đơn giản SNR Signal-to-noise ratio Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm SS Subscriber Station Trạm thuê bao STC Space time coding Mã thời gian không gian SVC Switched Virtual Connection Mạch ảo chuyển mạch TC Transmition Convergence Sublayer Lớp con hội tụ truyền TDD Time Division Duplexing Song công theo thời gian TDM Time Division Multiplexing Dồn kênh phân chia theo thời gian TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia thời gian TEK Traffic encryption key Khoá mật mã lưu lượng TFTP Trivial File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin tiết kiệm tài nguyên TTG transmit/receive transimision gap Khoảng trống chuyển tiếp Phát/Thu Tx Transmission Truyền dẫn UCD Uplink channel descriptor Bộ mô tả kênh đường lên UL Uplink Hướng lên VoIP Voice over IP Thoại trên nền IP WCDMA Wideband CDMA CDMA băng rộng WiBro Wireless broadband Băng rộng không dây WiMAX Worldwide Interoperability for Micoware Access Khả năng tương tác toàn cầu đối với truy nhập vi ba WLAN Wireless local Area Network Mạng cục bộ không dây WMAN Wireless Metropolitian Area Network Mạng đô thị không dây DANH SÁCH BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Tóm tắt các chuẩn 802.16 cơ bản 7 Bảng 2.2 802.16 – 2004 34 Bảng 3.1 Sự suy giảm tín hiệu trong môi trường vô tuyến 44 Bảng 3.2 52 Bảng 3.3 53 DANH SÁCH HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Minh họa các loại mạng không dây 05 Hình 1.2 Các chuẩn 802.16 tiêu biểu 07 Hình 1.3 09 Hình 1.4 Mô hình ứng dụng WiMAX 10 Hình 1.5 Mô hình ứng dụng WiMAX di động 12 Hình 1.6 Cấu hình PMP 15 Hình 1.7 Cấu hình mesh 16 Hình 2.1 17 Hình 2.2 Ví dụ về vị trí dải tần FDD 19 Hình 2.3 Cấu trúc khung TDD 19 Hình 2.4 Cấu trúc khung con đường lên TDD 21 Hình 2.5 Khung con DL FDD 22 Hình 2.6 Các sử dụng các khối FEC được thu ngắn lại - trường hợp TDM 24 Hình 2.7 Khuôn dạng của lớp con hội tụ truyền PDU 24 Hình 2.8 Các sử dụng các khối FEC được thu ngắn lại - trường hợp TDMA 25 Hình 2.9 Cấu trúc khung con đường xuống 26 Hình 2.10 Cấu trúc khung WiMAX OFDMA 36 Hình 3.1 Cấu trúc OFDM symbol trong miền 42 Hình 3.2 Đặc tả OFDM trong miền tần số 42 Hình 3.3 44 Hình 3.4 – 46 Hình 3.5 47 Hình 3.6 3 48 kênh con) Hình 3.7 49 Hình 3.8 50 Hình 3.9 57 Hình 3.10 59 Hình 4.1 Thủ tục trao đổi khóa TEK 67 Hình 4.2 Sự quản lý AK trong BS và SS 71 Hình 4.3 Quản lý TEK trong BS và SS 74 Hình 5.1 Trung tâm quản lý 78 Hình 5.2 Mô hình hệ thống WiMAX Lào Cai 82 Hình 5.3 Hệ thống BreezeMAX 3300 83 Hình 5.4 Hệ thống WiMAX tại Base Station Bưu điện Lào Cai 84 Hình 5.5 Anten Ommi ANT tần số hoạt động 3.3 - 3.4 GHz 84 Hình 5.6 Kết nối tại trạm gốc WiMAX 85 Hình 5.7 Kết nối tại trạm đầu cuối WiMAX 86 Hình 5.8 Kết nối tại trạm đầu cuối WiMAX (Phía sau CPE) 87 Hình 5.9 Kết nối hệ thống VoIP 88 Hình 5.10 89 Hình 5.11 cho MBST 89 Hình 5.12 90 Hình 5.13 90 Hình 5.14 Giao diện hệ thống quản lý NMS BreezeLITE của Alavarion 91 Hình 5.15 Các QoS được quy định trong phần mềm BreezeLite 91 Hình 5.16 Sơ đồ tổng thể kết nối WiMAX giữa BTS – End user tại Tả Van 92 Hình 5.17 Thiết bị BS Outdoor MicroMAX SOC 3.3 93 Hình 5.18 Thực tế anten trạm gốc 94 Hình 5.19 Đấu nối trạm gốc 94 Hình 5.20 CPE_Outdoor và CPE_Indoor 95 Hình 5.21 CPE - Outdoor tại nhà dân và UBND xã Tả Van 95 Hình 5.22 CPE - Indoor tại nhà dân 96 Hình 5.23 Phía bên ngoài trạm gốc BTS 97 Hình 5.24 Sơ đồ đấu nối chi tiết trong điểm Bưu điện văn hóa xã, phía trạm gốc 97 Hình 5.25 Sơ đồ đấu nối hệ thống VoIP/WIMAX 98 Hình 5.26 Sơ đồ kết nối phía người dùng cuối (End – User) 98 Hình 5.27 Giao diện quản lý BS 99 Mạng WiMAX và thử nghiệm ở Việt Nam 1 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các dịch vụ ứng dụng trên Internet đã có bước phát triển bùng nổ với nhiều loại hình dịch vụ mới như các dịch vụ mua bán trực tuyến, ngân hàng, du lịch hay các dịch vụ đào tạo từ xa, game trực tuyến... Cùng với sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ trên Internet, các công nghệ truy nhập cũng liên tục được phát triển để đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao về băng thông cho truy nhập Internet. Các công nghệ truy nhập băng rộng đã được phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây bao gồm các công nghệ truy nhập hữu tuyến và công nghệ vô tuyến. Một loạt các chuẩn về mạng truy nhập vô tuyến băng rộng đã được nhiều tổ chức nghiên cứu, xây dựng và phát triển như chuẩn IEEE 802.11x, IEEE 802.15, IEEE 802.16, IEEE 802.20, HIPERLAN 1/2, HomeRF, chuẩn Bluetooth,vv... Phạm vi ứng dụng của các chuẩn này bao trùm từ mạng cá nhân (PAN), mạng nội bộ (LAN), mạng diện rộng (MAN) và mạng diện rộng (WAN). Hệ thống WiMAX được sản xuất dựa trên họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 đang được các hãng cung cấp thiết bị cũng như nhà cung cấp dịch vụ quan tâm đặc biệt. Các hệ thống WiMAX cố định dựa trên chuẩn 802.16-2004 đã được sản xuất, đưa vào thử nghiệm và đã được diễn đàn WiMAX cấp chứng nhận đã cho thấy rõ những ưu điểm của công nghệ này. Hệ thống WiMAX di động dựa trên tiêu chuẩn 802.16e cũng đang được các nhà cung cấp thiết bị lên kế hoạch để đưa thiết bị vào thử nghiệm trong thời gian tới. Mạng Viễn thông Việt Nam trong những năm qua đã có sự phát triển mạnh mẽ, các hệ thống cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng đã và đang được triển khai tại hầu hết các tỉnh thành. Tuy nhiên, phần lớn vẫn là các hệ thống xDSL cung cấp truy nhập hữu tuyến và hệ thống WiFi với phạm vi phục vụ còn rất hạn chế. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng dịch vụ băng rộng lại đang đòi hỏi rất cấp thiết tại nhiều vùng, nhiều khu vực mà các giải pháp hiện có rất khó triển khai hoặc triển khai chậm. Để có thể triển khai nhanh chóng và hiệu quả hệ thống truy Mạng WiMAX và thử nghiệm ở Việt Nam 2 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nhập băng rộng tại các khu vực này thì việc nghiên cứu triển khai các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng WiMAX là hết sức cần thiết. Với mục đích tìm hiểu về công nghệ WiMAX để đánh giá, lựa chọn giải pháp, thiết bị và hệ thống mạng phù hợp với điều kiện tại Việt Nam, luận văn sẽ gồm 5 chương cụ thể như sau: Chương 1: . Chương 2: ớp của chuẩn IEEE 802.16. Chương 3: ền tảng kỹ thuật của WiMAX: OFDM, OFDMA, Kiến trúc WiMAX đầu cuối. Chương 4: Các hệ thống bảo mật mạng không dây WiMAX Chương 5: . Do hạn chế về nhiều mặt nên Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu xót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của Thầy, Cô và các bạn để Luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, PGS. TS Lê Bá Dũng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Em cũng xin trân thành cảm ơn các thầy, cô, bạn bè cùng toàn thể người thân đã giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong thời gian thực hiện luận văn này. Mạng WiMAX và thử nghiệm ở Việt Nam 3 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1. Tổng quan về mạng không dây băng rộng 1.1.1. Các khái niệm về mạng không dây băng rộng Mạng không dây Mạng không dây (Wireless Network) là công nghệ cho phép một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp được với nhau mà không cần những kết nối vật lý hay nói cách khác là kết nối mà không cần đến cable mạng. Công nghệ mạng không dây sử dụng sóng radio trong khi các công nghệ truyền thống sử dụng các loại cable làm phương tiện truyền dữ liệu. Phạm vi của công nghệ mạng không dây rất lớn, kể từ những mạng trên diện rộng như WLAN, mạng điện thoại cho tới những hệ thống, thiết bị cực kỳ đơn giản như tai nghe, micro di động không dây và một loạt các thiết bị không giây có nhiệm vụ lưu trữ và xử lý thông tin khác. Nó cũng bao gồm các thiết bị hồng ngoại như các thiết bị điều khiển từ xa, một số thiết bị chuột và bàn phím không dây, tai nghe stereo không dây, các thiết bị loại này đều cần một không gian không bị chặn giữa hai thiết bị truyền và nhận