đồ án : WiMAX: CÔNG NGHỆ VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI

đồ án :WiMAX: CÔNG NGHỆ VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI

ÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do – Hạnh Phúc

KHOA VIỄN THÔNG

-

-ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên: Nguyễn Quang Huy

án được chia thành ba phần chính như sau:

 Giới thiệu hệ thống định tuyến biên ERX1400

 Quản lý, khai thác và bảo dưỡng hệ thống ERX 1400

 Giao diện người máy cho hệ thống ERX 1400

Ngày giao đồ án:……/ /2007

Ngày nộp đồ án: ……/11/2007

Hà Tây, Ngày … tháng 11 năm 2007

Giáo viên hướng dẫn

WiMAX: CÔNG NGHỆ VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Mạnh Hùng Lớp:

D2004-VT2

Lan

Hà Nội, 11-2008

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: (bằng chữ ……… )

Ngày tháng 11 năm 2008 Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Kim Lan

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: (bằng chữ ……… )

Ngày tháng 11 năm 2008 Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Mục lục hình vẽ 4

Thuật ngữ viết tắt 7

CHƯƠNG I - Tổng quan WiMax 16

Hình 1.1 Cấu hình topo của WMAN 18

Hình 1.2 Khả năng hoạt động trong môi trường NLOS 20

Hình 1.3 Mã hóa và điều chế thích ứng 21

Hình 1.4 Hệ thống anten MIMO (nxn) 22

1.4 Tổng quan các công nghệ lõi của WiMax: OFDM, OFDMA, SOFDMA 23

1.4.1 OFDM 23

Hình 1.5: FDM với 9 sóng mang con 24

Hình 1.6: OFDM với 9 sóng mang con 24

Hình 1.7: OFDM với 256 sóng mang con 25

1.4.1.2 Miêu tả kí hiệu OFDM cho lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM 25

Hình 1.8: Cấu trúc OFDM trong miền thời gian 25

Hình 1.9: OFDM trong miền tần số 26

1.4.2 OFDMA cho lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDMA 27

Hình 1.10: Ký hiệu OFDMA trong miền thời gian 27

Hình 1.11: Ký hiệu OFDMA trong miền tần số 28

1.4.3 OFDMA khả định cỡ (S-OFDMA) 28

CHƯƠNG II Kiến trúc và chức năng mạng đầu cuối đầu cuối WiMAX 30

Hình 2.1 Mô hình tham khảo mạng 33

Hình 2.2.Mô hình chuyển mạng AAA tổng quát 42

Hình 2.3 Ngăn xếp giao thức cho nhận thực người sử dụng trong WiMAX .43

Hình 2.4 Các thủ tục PKMv2 44

Hình 2.5 Kiến trúc an ninh ASN và mô hình triển khai 47

Hình 2.6 Kiến trúc QoS đề xuất cho WiMAX 47

Hình 2.7 Các kịch bản chuyển giao khác nhau trong WiMax 50

Hình 2.10 Các mô hình tham khảo chung cho RRM 55

Hình 8.21 Mô hình tham khảo mạng tìm gọi của WiMAX 56

CHƯƠNG III – WiMax Ecosystem 57

Hình 3.1 Quy trình cấp giấy chứng nhận của WiMAX Forum 63

Hình 3.2 Chứng chỉ WiMAX Forum Certified 64

Hình3.3 Mạng đô thị MAN 68

Hình 3.4 Mô hình kết nối không dây Backhaul 70

Hình 3.5 Mô hình mạng cho các doanh nghiệp 71

Hình 4.1 - Menu của chương trình 87

Hình 4.2 - Menu nhập thông số thiết bị 87

Hình 4.5 – Cửa sổ “Hình vẽ” 89

Hình 4.6 – Cửa sổ “Chi tiết” 89

Hình 4.7 Cấu trúc khung TDD 92

CHƯƠNG V – WiMax và LTE 103

Hình 5.1 : Sơ đồ phát triển của công nghệ WiMAX 104

Hình 6.1 Thành phố Jackson Hole 117

Hình 6.2 Asus F8Va-C2WM 118

Hình 6.3 Acer Aspires 6930 118

Hình 6.4 Toshiba Satellite U405-ST550W 119

Hình 6.5 Lenovo X301 119

Hình 6.6 Khách du lịch dùng WiMax vào Internet ở khách sạn Saigon Morin 124

Hình 6.7 Dùng WiMax trên xích lô 125

Hình 6.8 Viễn thông Đà Nẵng đang thử nghiệm hệ thống WiMAX di động 126

Mục lục hình vẽ

Hình 1.1 Cấu hình topo của WMAN 18

Hình 1.2 Khả năng hoạt động trong môi trường NLOS 20

Hình 1.3 Mã hóa và điều chế thích ứng 21

Hình 1.4 Hệ thống anten MIMO (nxn) 22

Hình 1.5: FDM với 9 sóng mang con 24

Hình 1.6: OFDM với 9 sóng mang con 24

Hình 1.7: OFDM với 256 sóng mang con 25

Hình 1.8: Cấu trúc OFDM trong miền thời gian 25

Hình 1.9: OFDM trong miền tần số 26

Hình 1.10: Ký hiệu OFDMA trong miền thời gian 27

Hình 1.11: Ký hiệu OFDMA trong miền tần số 28

Hình 2.1 Mô hình tham khảo mạng 33

Hình 2.2.Mô hình chuyển mạng AAA tổng quát 42

Hình 2.3 Ngăn xếp giao thức cho nhận thực người sử dụng trong WiMAX.43 Hình 2.4 Các thủ tục PKMv2 44

Hình 2.5 Kiến trúc an ninh ASN và mô hình triển khai 47

Hình 2.6 Kiến trúc QoS đề xuất cho WiMAX 47

Hình 2.7 Các kịch bản chuyển giao khác nhau trong WiMax 50

Hình 2.10 Các mô hình tham khảo chung cho RRM 55

Hình 8.21 Mô hình tham khảo mạng tìm gọi của WiMAX 56

Hình 3.1 Quy trình cấp giấy chứng nhận của WiMAX Forum 63

Hình 3.2 Chứng chỉ WiMAX Forum Certified 64

Hình3.3 Mạng đô thị MAN 68

Hình 3.4 Mô hình kết nối không dây Backhaul 70

Hình 3.5 Mô hình mạng cho các doanh nghiệp 71

Hình 4.1 - Menu của chương trình 87

Hình 4.2 - Menu nhập thông số thiết bị 87

Hình 4.5 – Cửa sổ “Hình vẽ” 89

Hình 4.6 – Cửa sổ “Chi tiết” 89

Hình 4.7 Cấu trúc khung TDD 92

Hình 5.1 : Sơ đồ phát triển của công nghệ WiMAX 104

Hình 6.1 Thành phố Jackson Hole 117

Hình 6.2 Asus F8Va-C2WM 118

Hình 6.3 Acer Aspires 6930 118

Hình 6.4 Toshiba Satellite U405-ST550W 119

Hình 6.5 Lenovo X301 119

Hình 6.6 Khách du lịch dùng WiMax vào Internet ở khách sạn Saigon Morin .124

Hình 6.7 Dùng WiMax trên xích lô 125 Hình 6.8 Viễn thông Đà Nẵng đang thử nghiệm hệ thống WiMAX di động126

Nguyễn Mạnh Hùng-D2004_VT2 6

Thuật ngữ viết tắt

A

AAS Adaptive Atenna System Hệ thống anten thích ứng

AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hóa cao cấp

AMC Adaptive Modulation and Codding Điều chế và mã hóa thích ứng

A-MIMO Adaptive Multiple Input

Multiple Output

Đa đầu vào đa đầu ra thích ứng

ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp lại tự động

ASN Application Service Network Mạng dịch vụ ứng dụng

B

BRAN Broadband Radio Access Network Mạng truy cấp vô tuyến băng rộng

CC Chase Combining Kết hợp theo đuổi

CCF Cumulative Distribution Function Chức năng phân bố tích luỹ

CINR Carrier to Interference +Noise

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CSN Connectivity Service Network Mạng dịch vụ tính kết nối

CSTD Cyclic Shift Transmit Diversity Phân tập phát dịch tuần hoàn

D

E

EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức nhận dạng mở rộng

EIRP Effective Isotropic Radiated Power Công suất bức xạ đẳng hướng hữu hiệu

ErtPS Extended Real-time Polling

Service thực Dịch vụ kiểm soát vòng mở rộng thời gian

F

FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh

FDD Frequency Division Deplex Phân kênh phân chia theo tần số

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FUSC Fully User Sub-Channel Kênh con người sử dụng toàn bộ

G

3GPP 3G Partnership Project

3GPP2 3G Partnership Project 2

H

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp lại tự động nhanh

HiperMAN High Performance Metropolitan

Area Network

Mạng vùng đô thị hiệu năng cao

HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản

I

IETF Internet Engineering Task Force

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fuorier nhanh ngược

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên kí hiệu

L

LDPC Low-Density-Parity-Check Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp

M

MAC Media Access Control Điều khiển truy cập phương tiện

MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy cập

MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng đô thị

MAP Media Access Protocol Giao thức điều khiển truy cập

MBS Multicast and Broadcast Service Dịch vụ đa hướng và quảng bá

MDHO Macro Diversity Hand Over Chuyển giao phân tập lớn

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MMS Multimedia Message Service Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện

MPLS Multi-Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

N

NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy cập mạng

nrtPS Non-Real-Time Polling Service Dịch vụ kiểm soát vòng phi thời gian

thực

NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiplex Access

Truy cập ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao

P

PF Proportional Fair

PKMv2 Privacy Key Management vesion 2 Quản lý khóa bí mật phiên bản 2

PUSC Partially Used Sub-Channel Kênh con người sử dụng một phần

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

R

RTG Receiver/Transmit Transition Gap Khoảng chuyển tiếp thu phát

rtPS Real-time Polling Service Dịch vụ kiểm soát vòng thời gian thực

S

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian

thực

SGSN Serving GPRS Support Node

SIM Subscriber Indentify Module Phần nhận dạng thuê bao

SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào đa đầu ra

SNIR Signal to Noise+Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu+tạp âm

SLA Service Level Agreement Thảo thuận mức dịch vụ

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

S-OFDMA Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiplex Access

Truy cập ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao khả định cỡ

T

TDD Time Division Duplex Phân kênh phân chia theo thời gian

TEK Traffic Encription Key Khóa mã hóa theo lưu lượng

TTG Transmit/receive Transition Gap Khoảng chuyển tiếp thu phát

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

U

UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp tự nguyện

UMTS Universal Mobile Telephone

System

V

VoIP Voice over Internet Protocol Thoại qua giao thức IP

W

WiFi Wireless Fideliry

WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng không dây

WIMAX Worldwide Interoperability Khả năng khai thác liên mạng trên

for Microwave Access

toàn cầu đối với truy cập vi ba

LỜI MỞ ĐẦU

Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải thôngtin băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sửdụng Trong vài năm lại đây, sự bùng nổ WiMAX (Worldwide Interoperability forMicrowave Access) – tên thương mại của chuẩn 802.16 với nghĩa là khả năng tươngtác toàn cầu với viba – đã tạo ra sự quan tâm rất lớn đối với những người trong ngành vàcác cơ quan chuyên môn Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặcđiểm vượt trội như là khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lượng dịch vụ tốt, an ninhđảm bảo, dễ dàng lắp đặt…chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX là một tấtyếu WiMAX truyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ công nghệ dựa trên chuẩn 802.16 Nó hỗtrợ nhiều tính năng tiên tiến và các khả năng linh hoạt khi lựa chọn các phương án triểnkhai cũng như cung cấp dịch vụ

Trải qua các giai đoạn phát triển, họ 802.16 được đưa ra nhiều chuẩn công nghệnhư là 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e, 802.16g…tuy nhiên hiện naycác nhà khai thác đang thử nghiêm và sử dụng chủ yếu là họ chuẩn 802.16e dođây là họ chuẩn phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường như là thiêt bị diđộng, thiết bị cầm tay, và cả thiết bị cố định…chuẩn tấn số WiMAX khá rộng và

đa dạng, nhưng theo khuyến khích thì tần số sử dụng cho WiMAX tốt nhất ở các dải tầnnhư là: 2,3GHz, 2,4 GHz 2,5 GHz, 3,3 GHz, 3,5 GHz, 3,7 GHz, và 5,8 GHz Đây là cáctấn số áp dụng tốt nhất cho chuẩn 802.16e

Chính vì việc nghiên cứu và tìm hiều về công nghệ WiMax là vô cùng cần thiết Đồ

án “WiMAX: Công nghệ và thực tiễn triển khai” được trình bày trong 6 chương với

nội dung cụ thể như sau

Chương 1: Tổng quan WiMax

Chương 2: Kiến trúc và chức năng mạng đầu cuối đầu cuối WiMAX

Chương 3: WiMax Ecosystem

Chương 4: Tính toán vùng phủ và lưu lượng cho hệ thống WiMax

Chương 5: WiMax và LTE

Chương 6: Tình hình triển khai WiMax

Trải qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, đúc kết dưới sự chỉ bảo tận tìnhcủa các thầy cô giáo em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình đúng như thời gian yêucầu của nhà trường đặt ra.

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo đã giúp đỡ em hoànthành đồ án tốt nghiệp, đặc biệt là T.S Nguyễn Kim Lan, người trực tiếp hướng dẫn emlàm đồ án này Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các kỹ sư Cao UôngThắng, Lê Huy Bình Yên và Nguyễn Việt Hùng thuộc Công ty Công nghệ Sao Vega đãnhiệt tình chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian thực tập và làm đồ án!

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh chị em cùng toàn thể bạn bè giúp đỡ

để em hoàn thành bản đồ án trong thời gian sớm nhất !

Xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 29/10/2008

Sinh viên

Nguyễn Mạnh Hùng

CHƯƠNG I - Tổng quan WiMax

1.1 Lịch sử, quá trình phát triển

1.1.1 Lịch sử

Ngày nay sự phát triển của mạng viễn thông với dịch vụ ngày càng đa dạng đã làmcho các công nghệ truy nhập tiên tiến ngày càng được phát minh và đưa vào phục vụ.Hiện nay chúng ta biết đến truy nhập Internet với các dịch vụ quay số Modem thoại,ADSL hay các đường thuê bao riêng hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại

di động hay mạng WiFi Mỗi phương pháp truy nhập mạng đều có đặc điểm riêng:

• Với Modem quay số điện thoại thì thốc độ thấp

• ADSL có tốc độ lên tới 8Mb/s nhưng cần có đường dây kết nối

• Các đường thuê bao riêng thì giá thành đắt mà lại khó triển khai với các khu vực

• Hệ thống di động 3G thì tốc độ truy nhập Internet cũng không vượt quá 2Mb/s

• Mạng WiFi (hay LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổithông tin khoảng cách ngắn

Với thực tế các công nghệ như vậy, WIMAX (Worldwide Interoprability for Microwave Access) đã ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy nhập Internet

không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi Hệ thống WIMAX có thểcung cấp đường truyền với tốc độ lên tới 70Mb/s và có bán kính phủ sóng của một trạm là50Km Mô hình phủ sóng của WIMAX tương tự như mạng tế bào Hoạt động củaWIMAX rất mềm dẻo và tương tự như của WiFi khi truy nhập mạng tức là khi một máy

tính có nhu cầu truy nhập mạng thì nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WIMAX gầnnhất.Điều quan trọng nhất WIMAX xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.802.16.

1.1.2 Quá trình phát triển

Nhóm công tác IEEE 802.16 là nhóm đầu tiên chịu trách nhiệm phát triển chuẩn802.16 bao gồm giao diện vô tuyến cho truy nhập không dây băng rộng Hoạt động củanhóm khởi đầu trong một cuộc họp vào 08/1998 Ban đầu nhóm tập trung vào việc pháttriển các chuẩn và giao diện vô tuyến cho băng tần 10-60GHz Sau đó dự án sửa đổi dẫnđến việc tán thành chuẩn IEEE 802.16a tập trung vào băng tần 2-11GHz Các chi tiết kĩthuật giao diện vô tuyến 802.16a được phê chuẩn cuối cùng vào 01/2003

ETSI đã tạo ra chuẩn MAN không dây cho băng tần 2-11GHz vào 10/2003 cònđược gọi là HiperMAN Chuẩn HiperMAN về cơ bản là theo sự hướng dẫn 802.16.Chuẩn HiperMAN cung cấp việc truyền thông cho mạng không dây trong các băng tần 2-11GHz ở Châu Âu Nhóm làm việc HiperMAN tận dụng lược đồ điều chế OFDM FFT

256 điểm Đó là một trong những lược đồ điều chế được định nghĩa trong chuẩn IEEE802.16a

Wimax Forum giữ vai trò hỗ trợ phát triển các sản phẩm MAN vô tuyến dựa trêncác chuẩn của Viện nghiên cứu của các kĩ sư điện và điện tử (IEEE) và viện nghiên cứucác chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) Wimax Forum tin rằng một chuẩn chung cho truynhập vô tuyến băng rộng (BWA) sẽ làm giảm chi phí thiết bị và thúc đẩy việc cải thiệnhiệu năng Bên cạnh đó, các nhà khai thác BWA sẽ không bị ràng buộc với một nhà cungcấp thiết bị duy nhất do các trạm gốc (BS) sẽ tương thích với thiết bị truyền thông cá nhânCPE của nhiều nhà cung cấp Wimax Forum ban đầu tập trung vào truyền thông cố địnhcho dải tần 10-66GHz, việc mở rộng quy mô lớn bắt đầu vào 01/2003 và chuyển sang cảlĩnh vực di động Wimax dựa trên cơ sở tương thích toàn cầu được kết hợp bởi các chuẩnIEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e của IEEE và ETSI HiperMAN của ETSI Trong đóIEEE 802.16-2004 cho cố định và IEEE 802.16e cho dữ liệu di động tốc độ cao

1.2 Tổng quan họ tiêu chuẩn IEEE 802.16

Họ tiêu chuẩn IEEE (giao điện vô tuyến mạng vùng đô thị không dây) cho truy nhậpbăng rộng (BWA: Broadband Wireless Access) cung cấp công nghệ truy nhập “km cuốicùng” cho các điểm nóng với các dịch vụ số liệu, video và thoại tốc độ cao Ưu điểm nổibật nhất của BWA là giá thành lắp đặt và bảo dưỡng thấp so với các truy nhập mạng cáp

đồng và cáp quang nhất là đối với các vùng xa xôi và khó lắp đặt các mạng truy nhập hữutuyến BWA có thể mở rộng các mạng cáp quang và cung cấp dung lượng cao hơn cácmạng cáp đồng hay các đường dây thuê bao số (DSL: Digital Subscriber Line) Các mạngkhông dây này có thể được lắp đặt rất nhanh bằng cách sử dụng một số trạm gốc (BS:Base Station) đặt trên các toà nhà cao tầng hoặc một số cột để tạo nên các hệ thống truynhập không dây tốc độ cao

Hình 1.1 Cấu hình topo của WMAN

Thành viên đầu tiên của họ BWA là chuẩn IEEE 802.16 Chuẩn này được dự thảođầu tiên vào 12/2001 và phiên bản cuối cùng được công bố 8/4/2002 Băng thông côngtác của chuẩn này là 10-66 GHz, với truyền sóng trực xạ Cấu hình topo của chuẩn nàydựa trên mạng điểm - đa điểm trong đó lưu lượng được truyền giữa một trạm gốc (BS:Base Station) và nhiều trạm thêu bao (Subscriber Station) Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đượccông bố vào 9/2001, với tiêu đề “Đồng tồn tại với các hệ thống truy nhập băng rộngkhông dây cố định” cũng bao phủ 10-66GHz Tiêu chuẩn 802.16c “Các hồ sơ chi tiết cho10-66 GHz” được dự thảo đầu tiên vào 24/5/2002 và phiên bản cuối cùng được phát hànhvào 15/1/2003

Sự sửa đổi bổ sung này đã cập nhật và mà mở rộng điều khoản 12 của tiêu chuẩnIEEE 802.16.2001 liên quan đến các hồ sơ về các tập tính năng và chức năng áp dụng chocác trường hợp thực hiện khai điển hình Tuy nhiên BWA ngày càng được sử dụng nhiềucho các vùng dân cư, nên truyền trực xạ không còn thích hợp do địa hình và cây cối.Ngoài ra nhiễu đa đường truyền và giá thành sử dụng lắp đặt anten ngoài trời cao Vì thếcần sửa đổi bổ sung cho chuẩn 802.16 hiện hữu Đây là lý do ra đời tiêu chuẩn 802.16ađược ban hành vào 1/4/2003 Chuẩn này bao hàm các sửa đổi lớp MAC (Media AccessControl) và nhiều đặc tả lớp vật lý cho cả băng tần cấp phép và miễn phép Một sửa đổiđang kể của lớp MAC là các chế độ lưới tùy chọn Điểm khác biệt giữa chế độ điểm đađiểm (PMP) và lưới là ở chỗ, trong chế độ PMP lưu lượng chỉ xảy ra giữa BS và các SS,còn trong chế độ lưới lưu lượng có thể định tuyến qua các SS khác và có thể trực tiếp giữacác SS Ưu điểm của chế độ này là hoạt động vẫn được đảm bảo ngay cả khi có chướngngại lớn như núi đồi chặn đường truyền trực xạ giữa SS và BS Các SS bị chặn này có thểkết nối gián tiếp đến BS thông qua các SS khác Một thay đổi đáng kể khác của lớp MAC

là nó hỗ trợ nhiều đặc tả lớp vật lý, trong đó mỗi đặc tả phù hợp cho một môi trường khaithác đặc thù Trong chuẩn 802.16a ba cấu trúc lớp vật lý (PHY) được định nghĩa: SC(Single Carrier: đơn sóng mang), 256-OFDM và 2048-OFDMA

Chuẩn IEEE 802.16-2004 được công bố vào năm 2004 đã hợp nhất và sửa đổi cácchuẩn 802.16-2001, 802.16c và 802.16a thành bộ chuẩn chung Trong đó 802.16-2001cho hoạt động trong dải tần từ 10-66 GHz trực xạ trước đây có tên mới trong chuẩn này làWirelessMAN 802.16-SC, còn 802.16a cho băng tần dưới 11 GHz không trực xạ có bachế độ lớp vật lý với ba tên mới sau đây: WirelessMAN 802.16-SCa, WirelessMAN802.16-OFDM và WirelessMAN 802.16-OFDMA

Cả hai 802.16 và 802.16a đều được sử dụng cho truy nhập không dây băng rộng cốđịnh Trên cơ sở chuẩn 802.16a, nhóm công tác IEEE 806.16e đã xây dựng chuẩn 802.16ebao gồm “các lớp vật lý và MAC cho khai thác cố định và di động trong băng tần cấpphép” Trong chuẩn này tính di động được bổ sung cho các SS trước đây chỉ hỗ trợ kếtnối mạng cố định trong các băng tần từ 2 đến 6GHz

1.3 Các tính năng tiên tiến của Wimax

WiMAX là giải pháp truy nhập vô tuyến băng rộng cho phép hỗ trợ nhiều tính năngtiên tiến và các khả năng linh hoạt khi lựa chọn các phương án triển khai cũng như cungcấp dịch vụ Trong phần này ta sẽ xét các tính năng tiên tiến của WiMAX

CĐồ án tốt nghiệp đại học Chương I-Tổng quan WiMax

Lớp vật lý dựa trên OFDM: Lớp vật lý của WiMAX được xây dựng trên cơ sở

OFDM cho phép chống lại phađinh đa đường và hoạt động trong môi trường NLOS

Hình 1.2 Khả năng hoạt động trong môi trường NLOS Tốc độ số liệu đỉnh rất cao: WiMAX có khả năng hỗ trợ các tốc độ số liệu đỉnh rất

cao Trong thực tế, tố độ số liệu đỉnh lớp vật lý có thể đạt đến 74Mbps khi sử dụng băng

thông 20MHz Thông thường băng thông 10MHz với sơ đồ TDD được sử dụng theo tỷ lệ

đường xuống trên đường lên 3:1 cho phép đạt được tốc độ vào khoảng 25Mbps cho

đường xuống và 6,7Mbps cho đường lên Các tốc độ đỉnh này đạt được khi sử dụng sơ đồ

điều chế 64QAM với mã hóa kênh hiệu chỉnh lỗi có tỷ lệ mã 5/6 (viết tắt là 5/6 64QAM)

Hỗ trợ băng thông và tốc độ số liệu khả định cỡ: WiMAX có kiến trúc lớp vật lý

khả định cỡ cho phép dễ dàng định cỡ băng thông khả dụng Khả năng định cỡ được hỗ

trợ trong chế độ OFDMA, trong đó có thể định cỡ kích thước FFT theo băng thông kênh

Chẳng hạn hệ thống WiMAX có thể sử dụng 128-FFT, 512-FFT hay 1028-FFT tuỳ theo

băng thông là 1,25MHz; 5MHz hay 10MHz Việc định cỡ có thể thực hiện động để hỗ trợ

người sử dụng khi chuyển vùng giữa các mạng có băng thông khác nhau

Mã hóa và điều chế thích ứng (AMC): WiMAX hỗ trợ nhiều sơ đồ mã hoá và điều

chế và cho phép thay đổi các sơ đồ này theo từng khung đối với từng người sử dụng tuỳ

theo điều kiện kênh AMC là một kỹ thuật để đạt được thông lượng cực đại trong kênh

thay đổi theo thời gian

S

Hình 1.3 Mã hóa điều chế thích ứng.

Hình 1.3 Mã hóa và điều chế thích ứng

Giải thuật thích ứng dẫn tới sử dụng sơ đồ điều chế và mã hoá phù hợp nhất đối vớitình trạng kênh để vẫn đảm bảo chất lượng đường truyền nhưng cho phép truyền dẫn vớitốc độ cao nhất

Phát lại lớp vật lý: Đối với các kết nối đòi hỏi độ tin cậy cao, WiMAX hỗ trợ yêu

cầu phát lại tự động (ARQ) tại lớp vật lý Các kết nối được phép ARQ sẽ yêu cầu phía thuxác nhận gói được truyền Các gói không được xác nhận sẽ bị coi rằng đã bị mất và phảiphát lại WiMAX cũng cho phép chọn HARQ (ARQ linh hoạt) để áp dụng linh hoạt mãhoá kênh sửa đổi cho ARQ

Hỗ trợ TDD và FDD: IEEE 802.16-2004 và IEEE.16e-2005 hỗ trợ cả ghép song

công phân chia theo thời gian (TDD) và ghép song công phân chia theo tần số (FDD)cũng như ghép bán song công phân chia theo tần số (HFDD) để có thể thực hiện hệ thốngvới giá thành thấp TDD sẽ trở thành ứng dụng chính vì có một số ưu việt sau: (1) chophép linh hoạt sử dụng tỷ lệ tốc độ số liệu giữa đường xuống và đường lên, (2) khả năng

sử dụng tính đối lẫn của kênh, (3) khả năng áp dụng trong điều kiện phổ đơn, (4) thiết kếmáythu phát ít phức tạp hơn Tất cả các hồ sơ ban đầu của WiMAX đều dựa trên TDDngoại trừ hai hồ sơ WiMAX cố định trong dải tần 3,5 GHz

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA): OFDMA tạo điều kiện

để thực hiện phân tập tần số và phân tập người sử dụng nhờ vậy cải thiện đáng kể dunglượng hệ thống

Ấn định tài nguyên linh hoạt và động cho từng người sử dụng: Ấn định tài

nguyên đường lên lẫn đường xuống đều được thực hiện dưới sự điều khiển bởi bộ lậpbiểu của BS Các người sử dụng chia sẻ dung lượng tuỳ theo yêu cầu bằng cách sử dụng

sơ đồ ghép cụm theo thời gian Khi sử dụng chế độ OFDMA-PHY (OFDMA lớp vật lý),ghép kênh còn được thực hiện trong miền tần số bằng cách ấn định các tập con sóngmang cho các người sử dụng khác nhau Tài nguyên cũng có thể được ấn định trong miềnkhông gian bằng cách sử dụng các hệ thống anten tiên tiến (AAS) Tiêu chuẩn tiên tiếncho phép ấn định các tài nguyên băng thông trong miền thời gian, tần số và không gian và

có kỹ thuật kinh hoạt để truyền tin về ấn định tài nguyên theo từng khung

Hỗ trợ các kỹ thuật tiên tiến: WiMAX đưa vào thiết kế lớp vật lí một số tính năng

cho phép sử dụng các kỹ thuật đa anten như tạo búp, mã hóa không gian thời gian và ghépkênh không gian Các sơ đồ này được sử dụng để cải thiện tổng dung lượng hệ thốngbằng cách sử dụng nhiều anten tại máy phát hoặc (và) nhiều anten tại máy thu

Hình 1.4 Hệ thống anten MIMO (nxn).

Hỗ trợ QoS: Lớp MAC có kiến trúc định hướng theo kết nối được kết nối để hỗ trợ

các ứng dụng khác nhau bao gồm cả tiếng và các dịch vụ đa phương tiện Hệ thống cho

phép hỗ trợ các luồng lưu lượng tốc độ bít không đổi, tốc độ bit khả biến, thời gian thực

và phi thời gian thực cùng với lưu lượng số liệu nỗ lực nhất WiMAX MAC cũng đượcthiết kế để hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng có nhiều kết nối trên một đầu cuối, trong đómỗi kết cấu có một QoS riêng

An ninh nghiêm ngặt: WiMAX hỗ trợ mật mã mạnh bằng cách sử dụng AES

(Advanced Encription Standard: chuẩn mật mã tiên tiến) và các giao thức bảo mật cũngnhư quản lý khóa mạnh Hệ thống cũng đưa ra kiến trúc nhận thực rất linh hoạt dựa trêngiao thức nhận thực khả mở rộng (EAP: Extensible Authentication Protocol) cho phép sửdụng các chứng nhận người sử dụng khác nhau như: tên người sử dụng/ mật khẩu, cácchứng nhận số và các thẻ thông minh

Hỗ trợ tính di động: Phương án WiMAX di động của hệ thống có các cơ chế để hỗ

trợ chuyển giao xuôn sẻ và an toàn cho các ứng dụng hoàn toàn di động với trễ cho phépnhư VoIP Hệ thống cũng có các cơ chế tiết kiệm công suất để kéo dài thời hạn acquitrong các máy cầm tay Các tăng cường lớp vật lý như ước tính kênh thường xuyên hơn,sắp xếp kênh con đường lên và điều khiển công suất cũng được đưa vào tiêu chuẩn để hỗtrợ các ứng dụng di động

Kiến trúc dựa trên IP: WiMAX Forum đã định nghĩa kiến trúc mạng tham khảo

dựa trên nền tảng toàn IP Tất cả các dịch vụ đầu cuối được truyền trên một kiến trúc IPdựa trên các giao thức IP cho truyền tải đầu cuối đầu cuối, quản lý phiên QoS, an ninh và

FDM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông Nó phân chia băngtần có sẵn thành nhiều sóng mang con và cho phép nhiều người dùng truy nhập hệ thốngcùng một lúc Mỗi người dùng phát dữ liệu trong một sóng mang con khác nhau Để giảmnhiễu, các băng tần bảo vệ được gán giữa các sóng mang con Do băng tần bảo vệ khôngphát bất kì thông tin nào, chúng không đưa ra khả năng trải phổ

Với truyền thông đa sóng mang, một người dùng có thể chia dữ liệu thành nhiềuluồng con và phát chúng song song Trong FDM đa sóng mang, dữ liệu người dùng đượcchuyển đổi từ nối tiếp thành song song Sau đó, các luồng dữ liệu song song được gửi quacác sóng mang con Ở đầu thu, dữ liệu song song được kết hợp lại thành luồng dữ liệu nốitiếp Tốc độ dữ liệu cao có thể đạt được bằng cách dùng truyền thông đa sóng mang.

Hình 1.5: FDM với 9 sóng mang con

OFDM thêm đặc điểm trực giao vào FDM đa sóng mang Trực giao nghĩa là khônggây ra nhiễu lên nhau Trong OFDM các sóng mang con được thiết kế để trực giao Điềunày cho phép các sóng mang con chồng lên nhau và tiết kiệm băng tần Do đó, OFDMđạt được cả tốc độ dữ liệu cao và hiệu suất trải phổ cao Để giải điều chế tín hiệu, cần mộtchuyển đổi Fourier rời rạc (DFT)

Hình 1.6: OFDM với 9 sóng mang con

Trong trường hợp OFDM 256 với 192 sóng mang con dữ liệu, 8 sóng mang con màođầu và 56 sóng mang con vô hiệu Trong dạng cơ bản nhất của nó, mỗi sóng mang con dữliệu có thể là “on” hoặc “off” để chỉ thị bit thông tin là “1” hoặc “0” Tuy nhiên, khóachuyển pha PSK hay điều chế biên độ cầu phương QAM được sử dụng để tăng thônglượng dữ liệu Vì thế trong trường hợp này, luồng dữ liệu được chia thành n (192) luồng

dữ liệu song song, mỗi luồng ở tốc độ ban đầu là 1/n (1/192) Mỗi luồng sau đó được ánh

xạ vào một sóng mang dữ liệu riêng và được điều chế sử dụng PSK hoặc QAM

Tần số

9 sóng mang con

Tần số

9 sóng mang con

Các sóng mang con mào đầu cung cấp một tham khảo để giảm thiểu những thay đổi

về pha và tần số trong suốt quá trình truyền dữ liệu, trong khi các sóng mang vô hiệuđược sử dụng cho các băng tần bảo vệ và các sóng mang DC (tần số trung tâm)

Trong hình vẽ dưới đây, số lượng sóng mang con ở mỗi bên là 100, bao gồm cả sóngmang con dữ liệu và sóng mang con mào đầu

Hình 1.7: OFDM với 256 sóng mang con 1.4.1.2 Miêu tả kí hiệu OFDM cho lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM

Miền thời gian

Chuyển đổi Fourier ngược tạo ra dạng sóng OFDM, khoảng thời gian này đượcxem như thời gian symbol hữu ích Tb Một bản sao của Tg ở cuối của chu kì symbol hữuích được gọi là CP (tiền tố tuần hoàn) dùng để tập trung đa đường trong khi duy trì tínhtrực giao của các tín hiệu

Hình 1.8: Cấu trúc OFDM trong miền thời gian

Mào đầu chu kì CP có thể hoàn toàn làm giảm nhiễu giữa các symbol (ISI) với điềukiện khoảng thời gian CP là dài hơn trễ truyền lan kênh CP đặc trưng cho việc nhận mẫu

Tần số

T s Chu kì toàn bộ Symbol

T u Chu kì Symbol hữu ích

T

g

T

g

phần dữ liệu cuối cùng của khối mà được gắn vào để bắt đầu tải trọng dữ liệu CP ngănchặn nhiễu giữa các khối và tạo ra thông tin xuất hiện kênh và cho phép việc cân bằng miềntần số giảm phức tạp Một trở ngại được nhận thấy của CP là nó đưa vào một tiêu đề, điềunày giảm đáng kể hiệu suất băng tần Do OFDM có phổ mạnh mẽ gần như “tường gạch”,việc chia nhiều băng tần kênh được cung cấp có thể được sử dụng để truyền dữ liệu, điềunày phần nào hạn chế việc giảm hiệu suất phổ do CP gây ra.

Miền tần số

Miền tần số bao gồm cấu trúc cơ bản của một symbol OFDM

Một symbol OFDM được tạo thành từ các sóng mang con, số sóng mang con quyếtđịnh kích cỡ FFT được dùng Có 3 loại sóng mang con:

Sóng mang con dữ liệu: để truyền dữ liệu

Sóng mang con tiêu đề: cho các mục đích đánh giá khác nhau

Sóng mang con không hiệu lực: không để truyền, dành cho các băng bảo vệ, các

sóng mang con không hoạt động và các sóngmang con DC

Sóng mang con DC: trong tín hiệu OFDM hay OFDMA, sóng mang con mà tần sốcủa nó có thể bằng tần số trung tâm RF của trạm

Hình sau mô tả tín hiệu OFDM trong miền tần số

Hình 1.9: OFDM trong miền tần số.

Mục đích của các băng tần bảo vệ là làm cho tín hiệu suy giảm một cách tự nhiên

và tạo dạng FFT

Sóng mang con dữ liệu Sóng mang con DC Sóng mang con tiêu đề

1.4.2 OFDMA cho lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDMA

Như ta đã biết OFDM có thể hỗ trợ việc truyền một người dùng hoặc truy nhậpnhiều người dùng Khi OFDM được kết hợp với TDMA (đa truy nhập phân chia theo thờigian) chúng ta được OFDM-TDMA Khi OFDM kết hợp với FDMA thì tạo ra OFDMA(đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao) Kĩ thuật đa truy nhập OFDM-TDMA ấnđịnh các khe thời gian cho mỗi người dùng Trong một khe thời gian, tất cả các sóngmang con được dành riêng định vị cho một người dùng

OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng mang con cùng một lúc Ởmỗi đơn vị thời gian, tất cả các người dùng có thể truy nhập Việc ấn định các sóng mangcon cho một người dùng có thể thay đổi ở mỗi đơn vị thời gian

Trong miền thời gian

Biến đổi Fourier ngược tạo ra dạng sóng OFDMA, thời gian tồn tại này được thamchiếu như là thời gian hữu ích của kí hiệu Tb Một bản sao của Tg ở cuối của chu kìsymbol hữu ích được gọi là CP (tiền tố tuần hoàn) dùng để tập trung đa đường trong khiduy trì tính trực giao của các tín hiệu

Hình 1.10: Ký hiệu OFDMA trong miền thời gian

Ban đầu SS có thể tìm kiếm giá trị của CP cho đến khi nó tìm thấy giá trị của CPđang được sử dụng bởi BS SS sẽ sử dụng CP như nhau trong đường lên UL Một sự đặc

tả thời gian tồn tại của CP đã được lựa chọn bởi BS đối với hoạt động trong đường xuống

DL, cái này thì không thay đổi được Sự thay đổi CP sẽ làm cho tất cả các SS phải đồng

bộ lại

Trong miền tần số

Mào đầu

T s Chu kì toàn bộ Symbol

T u Chu kì Symbol hữu ích

T

g

T

g

Trong mô hình OFDMA, các sóng mang tích cực được chia thành các tập hợp sóngmang con, mỗi tập hợp được gọi là một kênh con Trong đường xuống một kênh con cóthể được chia cho các máy thu khác nhau hoặc một nhóm máy thu Trong đường lên, máyphát có thể được gán cho một hoặc nhiều kênh con, vài máy phát có thể phát song song.Các sóng mang tạo thành một kênh con nhưng không cần kề sát nhau Khái niệm nàyđược chỉ ra trong hình vẽ 1.11.

Hình 1.11: Ký hiệu OFDMA trong miền tần số.

Kí hiệu được chia thành các kênh logic con để hỗ trợ khả năng xử lý tỷ lệ, đa truynhập, và dàn anten tiên tiến

1.4.3 OFDMA khả định cỡ (S-OFDMA)

Đây là một đặc điểm bổ xung cho IEEE 802.16e để hỗ trợ chuyển giao dễ dàng.Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằngnhau với phổ có sẵn Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóng mangcon thay đổi trong các hệ thống khác nhau Điều này làm cho việc chuyển giao giữa các

hệ thống gặp khó khăn Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao.OFDMA khả định cỡ (SOFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ chokhông gian sóng mang con không thay đổi Nói cách khác, số sóng mang con có thể tănghoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước Ví dụ, nếu một băng tần5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chia thành

1024 sóng mang con Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S-OFDMAnên một máy di động có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách suôn sẻ Ngoài ra,với không gian sóng mang con không thay đổi, một thiết kế là phù hợp cho nhiều hệthống và có thể tái sử dụng Chi phí cho thiết kế và sản phẩm sẽ thấp hơn

Kênh con 1 Kênh con 2 Sóng mang DC Kênh con 3

IEEEE 802.16e-2005 kiểu MAN-OFDMA vô tuyến dựa trên cơ sở nội dung củaOFDMA khả định cỡ (SOFDMA) SOFDMA hỗ trợ một phạm vi rộng băng tần để tậptrung linh động vào nhu cầu cho việc cấp phát đa dạng phổ và các yêu cầu sử dụng mới.Tính quy mô được hỗ trợ bằng cách hiệu chỉnh kích cỡ FFT trong khi cố định không giantần số sóng mang con ở 10.94kHz Do đơn vị tài nguyên là băng tần sóng mang con vàkhoảng thời gian symbol là cố định, nên tác động đến lớp cao hơn là tối thiểu khi cùng tỉ

Không gian tần số sóng mang con 10.94kHz Thời gian symbol hữu ích (Tb=1/f) 91.4 micro giây Thời gian bảo vệ (Tg=Tb/8) 11.4 micro giây Khoảng thời gian symbol OFDMA (Tg+Tb) 102.9 micro giây

Số lượng symbol OFDMA (khung 5ms) 48

S-OFDMA cho phép các kích cỡ FFT nhỏ hơn để cải thiện hiệu suất cho các kênhtruyền với băng thông thấp hơn, có thể giảm kích cỡ FFT nhưng giữ nguyên không giansóng mang con là hằng số độc lập với băng thông khi băng thông giảm hoàn toàn

S-OFDMA mang lại một thuận lợi hơn OFDMA Nó tỉ lệ kích cỡ của chuyển đổiFourier nhanh với băng tần kênh để giữ cho không gian sóng mang không đổi qua cácbăng tần kênh khác nhau Không gian sóng mang không đổi làm cho hiệu suất dùng phổcao hơn trong các kênh rộng và giảm chi phí trong các kênh hẹp

1.5 Kết luận chương I

Trong phần chương I chúng ta đã có một cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triểncông nghệ WiMax cũng như các chuẩn 802.16 Đồng thời cũng ta cũng thấy được những

ưu điểm vượt trội của công nghệ WiMax Wimax ra đời như là một công nghệ xuất hiệntrong xu thế tiến tới 4G, giải quyết những hạn chế đang tồn tại của các công nghệ băngrộng như là vùng bao phủ và tốc độ Với các công nghệ mạng lõi tiên tiến như OFDM,OFDMA, và S-OFDMA rõ ràng WiMax giúp cho các nhà khai thác mạng linh hoạt hoạtkhi lựa chọn các phương án triển khai cũng như cung cấp dịch vụ

CHƯƠNG II Kiến trúc và chức năng mạng đầu cuối đầu cuối WiMAX

2.1.Mạng đầu cuối đầu cuối WiMAX

IEEE chỉ định nghĩa các lớp vật lý (PHY) và điều khiển truy nhập môi trường(MAC) trong 802.16 Cách tiếp cận này phù hợp cho các công nghệ Ethernet và WiFi, vìcác công nghệ này dựa trên các giao thức lớp trên như TCP/IP, SIP, VoIP và IPSec doIETF thiết lập Trong các mạng thông tin di động, các cơ quan tiêu chuẩn như 3GPP và3GPP2 xây dựng rất nhiều giao diện và tiêu chuẩn bởi vì các tiêu chuẩn này không chỉphải đảm bảo tương tác vô tuyến mà còn tương tác giữa các mạng, giữa các nhà sản xuấtcho chuyển mạng, cho các mạng truy nhập giữa các nhà sản xuất và tính cước giữa cáchãng Vì thế các nhà sản xuất và các hãng khai thác phải thành lập các nhóm công tác bổsung để phát triển các mô hình tham khảo mạng tiêu chuẩn cho các giao diện liên mạng

mở Hai trong số các nhóm này là:

 Nhóm công tác mạng của WiMAX Forum nghiên cứu các tiêu chuẩn nối mạngmức cao cho các hệ thống WiMAX cố định, di dời, xách tay và di động để bổ sungcho các tiêu chuẩn được định nghĩa trong 802.16

 Nhóm công tác cung cấp dịch vụ thảo ra các yêu cầu trong đó ưu tiên cho địnhhướng công tác của nhóm công tác mạng

Kiến trúc của một mạng WiMAX di động đầu cuối đầu cuối được xây dựng trên nềntảng toàn IP, công nghệ hoàn toàn gói Cách làm này cho phép giảm tổng giá thành củamạng WiMAX Việc sử dụng toàn IP có nghĩa rằng có thể sử dụng chung một mạng lõi

mà không cần duy trì cả hai mạng gói và kênh Một lợi ích nữa của việc sử dụng mạnghoàn toàn IP và nó cho phép sử dụng các bộ xử lý đa năng và các thiết bị tính toán trongthời kỳ phát triển mạnh mẽ hiệu năng của các thiết bị này Các tiến bộ xử lý tính toán xảy

ra nhanh hơn các tiến bộ trong thiết bị viễn thông, bởi vì phần cứng đa mục đích không

bị hạn chế bởi các chu kỳ của thiết bị viễn thông Kết quả là hiệu quả khai thác và đầu tưmạng sẽ cao hơn và mạng có thể nhận được các ưu điểm của việc nghiên cứu phát triển từcộng đồng internet Kết quả này dẫn đến giảm giá thành, khả năng định cỡ cao, triển khainhanh vì các chức năng của mạng trước hết dựa trên các dịch vụ phần mềm

Để triển khai các hệ thống thương mại thành công, cần có thêm các tiêu chuẩn ngoàicác tiêu chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16 (PHY/MAC) Một số các tiêu chuẩn chính trong

số các tiêu chuẩn này là để hỗ trợ tập lõi các chức năng nối mạng trong kiến trúc đầu cuốiđầu cuối của hệ thống WiMAX Dưới đây là một số yêu cầu cơ sở định hướng cho việcphát triển kiến trúc mạng:

1 Kiến trúc dựa trên nền tảng chuyển mạch gói bao gồm các thủ tục dựa trên tiêuchuẩn 802.16, các bổ sung cho nó và các tiêu chuẩn Ethernet cũng như các IETFRFC tương ứng.

2 Kiến trúc cho phép tách biệt kiến trúc truy nhập (và các công nghệ được hỗ trợ)khỏi dịch vụ IP kết nối Các phần tử mạng của hệ thống kết nối không cần biếtcác đặc điểm của vô tuyến 802.16

3 Kiến trúc mang tính mođun và linh hoạt đáp ứng nhiều tùy chọn như:

 Chuyển từ phạm vi mạng nhỏ sang phạm vi mạng rộng lớn (mật độ thưa sangmật độ phủ sóng và dung lượng cao)

 Các môi trường truyền sóng thành phố, ngoại ô và nông thôn

 Các băng tần cấp phép và không cần cấp phép

2.2 Mô hình tham khảo và các thành phần của mạng WiMAX

WiMAX Forum đã đưa ra mô hình tham khảo mạng WiMAX (NRM: NetworkReference Model) để trình bày cấu hình logic mạng NRM định nghĩa các phần tử chứcnăng và các điểm tham khảo giữa các phần tử chức năng Cấu trúc này được phát triển để

hỗ trợ hoạt động thống nhất cho nhiều mô hình triển khai mạng và các kịch bản ứng dụng(từ cố định, di dời, di động đơn giản đến di động hoàn toàn)

Hình 2.1 Mô hình tham khảo mạng

Hình 2.1 mô tả NRM (Network Reference Model: Mô hình tham khảo mạng) baogồm các phần tử sau: MS (Mobile Station: trạm di động), ASN (Access Service Network:mạng dịch vụ truy nhập), CSN (Connectivity Service Network: mạng dịch vụ kết nối) vàcác điểm tham khảo giữa các phần tử logic Mỗi thực thể, MS, ASN và CSN thể hiện mộtnhóm các phần tử chức năng Mỗi chức năng có thể được thực hiện trên một thiết bị vật lýhay phân tán trên nhiều thiết bị vật lý Việc kết hợp hoặc phân tán các chức năng vào cácthiết bị vật lý có thể được thực hiện theo lựa chọn, nhà sản xuất có thể lựa chọn mọi thựchiện vật lý các chức năng, hoặc riêng rễ hoặc kết hợp để đáp ứng các yêu cầu hoạt động

và tương tác

Mục tiêu của NRM là cho phép nhiều lựa chọn thực hiện đối với một phần tử chứcnăng cho trước và để đảm bảo tính tương tác giữa các thực hiện các phần tử chức năngkhác nhau Tính tương tác được xây dựng trên định nghĩa của các giao thức thông tin và

xử lý của mặt phẳng số liệu giữa các phần tử chức năng để đạt được hoạt động tổng thểđầu cuối đầu cuối Như vậy, các phần tử chức năng tại hai phía của điểm tham khảo thểhiện tập hợp các điểm cuối của mặt phẳng điều khiển và kênh mang

2.2.2 Mạng dịch vụ truy nhập ASN (Access Service Network)

ASN thực hiện các chức năng sau:

• Kết nối lớp 2 dựa trên chuẩn IEEE 802.16e với MS

• Chức năng phát hiện và lựa chọn mạng CSN/NSP ưu tiên cho các thuê bao

• AAA proxy : trao đổi chứng thực thiết bị, thuê bao và dịch vụ để lựa chọn NSPAAA và bộ nhớ tạm thời cho các hồ sơ thuê bao

• Chức năng chuyển tiếp để thiết lập kết nối IP giữa MS và CSN

• Quản lý tài nguyên vô tuyến và cấp phát địa chỉ dựa trên chính sách QoS

• Các chức năng quản lý di động như chuyển giao, định vị và tìm gọi

ASN có thể được phân ra thành 1 hay nhiều các BS và các ASN-GW WiMax NRMđịnh nghĩa nhiều các hồ sơ cho ASN Hồ sơ B định nghĩa ASN chỉ bao gồm 1 BS và 1ASN-GW Hồ sơ A và C chia các chức năng BS và ASN-GW gần như tương tự nhau, chỉ

có sự khác nhau nhỏ ở các chức năng liên qian tới quản lý di động và tài nguyên vô tuyến

BS chịu trách nhiệm cung cấp giao diện vô tuyến cho MS Ngoài ra nó có thể có

thêm các chức năng như: quản lý di động vi mô (khởi động chuyển giao), thiết lập tunnel,quản lý tài nguyên vô tuyến, thực thi chính sách QoS, phân loại lưu lượng, đại diệnDHCP (Dynamic Host Configuration Protocol: Giao thức lập cấu hình máy động), quản

lý phiên và quản lý nhóm đa phương Một BS có thể được kết nối tới một hay nhiều hơnmột ASN-GW để cân bằng tải hoặc dành cho dự trữ

Cổng mạng dịch vụ truy nhập ASN-GW đóng vai trò như một điểm tổng hợp lưu

lượng lớp 2 trong ASN Ngoài ra nó có thể có thêm các chức năng: cổng ASN (quản lý vịtrí bên trong ASN và tìm gọi), quản lý tài nguyên vô tuyến và điều khiển cho phép, lưugiữ hồ sơ thuê bao và các khóa mật mã, chức năng AAA client, thiết lập và quản lý tunnelvới các trạm gốc, QoS và thực thi chính sách, tác nhân ngoài cho MIP, định tuyến đếnCSN được lựa chọn

Bảng 2.2 thể hiện các hồ sơ ASN được định nghĩa bởi WiMax Forum.Trong hồ sơ B

BS và ASN-GW là một khối kết hợp Còn hồ sơ A và C thì tương tự nhau,chúng chỉ cómột số điểm khác nhau Trong hồ sơ A chức năng chuyển giao ở tại ASN-GW, còn trong

hồ sơ C chức năng này lại nằm ở BS

Bảng 2.1 Các hồ sơ ASN

Chức năng Hố sơ B Hồ sơ A Hồ sơ C

Bảo mật

Server và client ngữ cảnh ASN ASN-GW và

BS

ASN-GW và BS

Quản lý tài nguyên vô

tuyến

Điều khiển tài nguyên vô

Tìm gọi

QoS

Trao quyền luồng dịch vụ ASN ASN-GW ASN-GW

2.2.3 Mạng dịch vụ kết nối CSN (Connectivity Service Network).

CSN định nghĩa tập các chức năng mạng cung cấp các dịch vụ kết nối IP cho các

thuê bao WiMAX CSN có thể bao gồm: các router, các đại diện/server AAA, các cơ sở

dữ liệu của người sử dụng và các cổng tương tác CSN có thể được triển khai như là một

bộ phận của nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX (NSP: Network Service Provider) mớihoặc như bộ phận của WiMAX NSP truyền thống (lâu đời) CSN đảm bảo kết nối đếnInternet, ASP, các mạng công cộng khác và các mạng hãng khác CSN thuộc sở hữu củanhà khai thác mạng (NSP) CSN bao gồm các AAA server, để hỗ trợ nhân lực cho cácthiết bị, các người sử dụng và các dịch vụ đặc thù CSN cũng đảm bảo quản lý chính sáchQoS cho từng người sử dụng và an ninh Ngoài ra CSN cũng cung cấp các cổng và kết nốivới các mạng khác như PSSTN (mạng chuyển mạch công cộng), 3GPP, 3GPP2

2.2.4 Các điểm tham khảo.

Ngoài các thực thể chức năng, kiến trúc tham khảo định nghĩa các giao diện (đượcgọi là các điểm tham khảo) giữa các thực thể các giao diện này mang các giao thức quản

lý và điều khiển (hầu hết được phát triển bởi IETF) và các giao thức truyền tải Ngoài việcmang số liệu, các giao thức lớp truyền tải còn hỗ trợ một số chức năng như: di động, anninh và QoS

Kiến trúc tham khảo mạng WiMAX định nghĩa các điểm tham khảo giữa:

1 MS và ASN với ký hiệu là R1 để bổ sung cho giao diện vô tuyến bao gồm

cả các giao thức trong mặt phẳng quản lý

2 MS và CSN với ký hiệu là R2 cung cấp nhận thực, trao quyền dịch vụ, lậpcấu hình IP và quản lý di động

3 ASN và CSN với ký hiệu là R3 để hỗ trợ thực thi chính sách và quản lý diđộng

4 ASN và ASN ký hiệu là R4 để hỗ trợ di động giữa các ASN

5 CSN và CSN với ký hiệu là R5 để hỗ trợ chuyển mạng giữa các nhà cungcấp mạng (NSP)

6 BS và ASN-GW với ký hiệu là R6 bao gồm các đường truyền của kênhmang trong ASN và các tunnel IP cho các trường hợp di động

7 BS và BS với ký hiệu là R7 để hỗ trợ chuyển giao nhanh xuôn sẻ

Chức năng chi tiết của các điểm tham khảo trong mạng WiMAX được cho trongbảng 1.9

Bảng 2.2 Các điểm tham khảo của WiMAX

Điểm tham khảo Các điểm cuối Chức năng

R1 MS và ASN Thực hiện các đặc tả giao diện vô tuyến của 802.16e, R1 có thể

chứa thêm các giao thức liên quan đến mặt phẳng quản lý R2 MS và CSN Để nhận thực, trao quyền, quản lý lập cấu hình máy IP và quản

lý di động Đây chỉ là một giao thức logic chứ không có giao diện giao thức trực tiếp giữa MS và CSN

R3 ASN và CSN Hỗ trợ AAA, thực thi chính sách và các khả năng quản lý di

động R3 cũng bao gồm các phương pháp của mặt phẳng kênh mang (chẳng hạn truyền tunnel) để truyền số liệu IP giữa ASN

và CSN.

R4 ASN và ASN Một tập các giao thức của mặt phẳng kênh mang khởi đầu và kết

thúc trong các thực thể khác nhau bên trong ASN để điều phối

sự di động của MS giữa các ASN R4 là giao diện khả tương hợp

giữa các ASN khác biệt.

R5 CSN và CSN Tập các giao diện mặt phẳng điều khiển và kênh mang để nối

mạng giữa mạng nhà và mạng khách.

R6 BS và ASN-GW Tập các giao diện mặt phẳng điều khiển và kênh mang để thông

tin giữa BS và ASN-GW Mặt phẳng kênh mang bao gồm tuyến truyền số liệu từ BS đến ASN-GW nội ASN và các tunnel liên ASN Mặt phẳng điều khiển bao gồm các giao thức quản lý tunnel di động (thiết lập, thay đổi và giải phóng) dựa trên các sự kiện của MS R6 có thể phục vụ như là một đường dẫn để trao đổi thông tin và các trạng thái MAC giữa các BS cạnh nhau.

ASN-GW-EP

Một tập tùy chọn của các giao thức mặt phẳng điều khiển để điều phối giữa hai nhóm chức năng được định nghĩa trong R6 R8 BS và BS Tập các luồn bản tin điều khiển và có thể là các luồng số liệu

mặt phẳng kênh mang giữa các BS để đảm bảo chuyển giao nhanh và êm ả Mặt phẳng kênh mang bao gồm các giao thức cho phép điều khiển chuyển giao số liệu giữa một MS và BS tham gia và chuyển giao.

2.3 Các chức năng mạng.

2.3.1 Phát hiện và lựa chọn mạng

Wimax cho phép người sử dụng có thể phát hiện và lựa chọn mang thích hợp bằngnhân công hay tự động Giả sử MS làm việc trong môi trường có nhiều mạng Wimax vànhiều nhà cung cấp dịch vụ và nó cần tìm và chọn lựa mạng cũng như các nhà cung cấpdịch vụ phù hợp nhất Để hỗ trợ công việc này, chuẩn bốn bước sau: tìm NAP, tìm NSP,liệt kê các NSP và chọn, nhập mạng NAP

Phát hiện NAP: Quá trình này cho phép MS phát hiện tất cả các NAP khả dụng

trong một vùng phủ sóng MS quét và giải mã các DL MAP của các ASN trên tất cả cáckênh tìm được Theo chuẩn 802.16e, số nhận dạng nhà khai thác (NAP Identifier) dài 24bit được ghi trong thông số nhận dạng trạm gốc nằm trong DL MAP

Phát hiện NSP: Quá trình này cho phép MS phát hiện các NSP cung cấp dịch vụ

cho ASN Các NSP được nhận dạng bằng một số nhận dạng NSP 24 bit hay số nhận dạngtruy nhập mạng (NAI: Network Access Identifier) dài 32bit MS có thể phát hiện các NSPtrong quá trình quét ban đầu hay truy nhập mạng bằng cách nghe các NSP ID trong bản