Tổng quan về WiMAX
Giới thiệu về WiMAX
WiMAX (viết tắt của Worldwide Interoperability of Microwave Access) là một kỹ thuật viễn thông cung cấp việc truyền dẫn không dây ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm - điểm cho tới kiểu truy nhập tế bào với tốc độ khá lớn, được nghiên cứu và phát triển dựa trên các tiêu chuẩn của IEEE 802.16, còn được gọi là WirelessMan tức mạng không dây đô thị WiMAX cho phép người dùng có thể duyệt Internet trên máy laptop mà không cần kết nối vật lý bằng cổng Ethernet tới router hoặc switch Tên WiMAX do WiMAX Forum tạo ra, bắt đầu từ tháng 6 năm
2001 đề xướng việc xây dựng một tiêu chuẩn cho phép kết nối giữa các hệ thống khác nhau Diễn đàn này cũng miêu tả WiMAX là “tiêu chuẩn dựa trên kĩ thuật cho phép truyền dữ liệu không dây băng thông rộng giống như với cáp và DSL.” Diễn đàn WiMAX là một tổ chức của các nhà khai thác và các công ty thiết bị và cấu kiện truyền thông hàng đầu Mục tiêu của Diễn đàn WiMAX là thúc đẩy và chứng nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI (Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu) Diễn đàn WiMAX được thành lập để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng BWA (Broadband Wireless Access), vì riêng một chuẩn thì không đủ để khuyến khích việc chấp nhận rộng rãi một công nghệ Theo mục tiêu này, diễn đàn đã hợp tác chặt chẽ với các nhà cung cấp và các cơ quan quản lý để đảm bảo các hệ thống được diễn đàn phê chuẩn đáp ứng các yêu cầu của khách hàng và của các chính phủ.
Hiện nay mạng băng rộng đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển rất nhanh nên luôn tồn tại các công nghệ cạnh tranh Các công nghệ cạnh tranh của
WiMAX có thể kể đến như LTE hay như truy nhập không dây băng rộng Cụ thể các công nghệ cạnh tranh cùng giao diện vô tuyến được thể hiện ở bảng dưới.
Bảng 1.1 Công nghệ WiMAX di động và các công nghệ cạnh tranh
Công nghệ Giao diện vô tuyến
Tốc độ dữ liệu (Mbps) Độ rộng kênh Downlink Uplink
UMTS-TDD TD-CDMA 16 16 5-MHz
3GPP LTE OFDM,OFDMA 100 100 20-MHz
CDMA2000/EVDO FD-CDMA 3.1 1.8 N × 1.25-MHz,
3GPP ultra mobile broadband OFDMA 275 75 20-MHz
Như thể hiện trong bảng 1.1 WiMAX di động có một số công nghệ cạnh tranh, đối thủ chính là các công nghệ mạng di động tế bào 3G đang được tiếp tục phát triển và tiến hóa để cung cấp tốc độ băng thông lớn So với mạng WiMAX, các mạng tế bào 3G rõ ràng có lợi thế của việc có sẵn cơ sở hạ tầng có thể nâng cấp để cung cấp truy cập không dây băng rộng với chi phí được giảm thiểu Do đó khi một người dùng di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của các thiết bị được nâng cấp, họ có thể trở lại hệ thống hiện có chưa được nâng câp trong một môi trường di động đầy đủ Điều này có lợi thế hơn hẳn một mạng phải triển khai mới hoàn toàn như WiMAX.
Hiện tại có hai công nghệ 3G chính, UMTS (Hệ thống viễn thông di động toàn cầu) và CDMA2000 Đối với UMTS, UMTS-TDD, hiện đang đề xuất sử dụng TD-CDMA là giao diện vô tuyến, nhằm mục đích cung cấp một tốc độ dữ liệu 16Mbps cả đường xuống và đường lên trên một kênh băng thông 5 MHz Hơn nữa UMTS sẽ chuyển lên 4G theo đường của 3GPP LTE, với giao diện vô tuyến OFDMA và OFDM có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ dữ liệu 100Mbps cho luồng lên và luồng xuống tương ứng, trên một kênh băng thông 20 MHz Đối với CDMA2000, EVDO hiện đã được đề xuất sử dụng FD-CDMA là giao diện vô tuyến để cung cấp tốc độ dữ liệu 3.1 và 1.8 Mbps tương ứng cho đường xuống và đường lên trên một kênh băng thông 5 MHz Tương tự như UMTS, CDMA2000 cũng sẽ chuyển lên 4G Con đường lên 4G của CDMA2000 cũng sẽ theo 3GPP2 siêu di động băng rộng, có thể sử dụng OFDMA như giao diện vô tuyến để cung cấp tốc độ dữ liệu 275 và 75 Mbps cho đường xuống và đường xuống tương ứng trên một kênh băng thông 20 MHz.
Ngoài công nghệ di động 3G và 4G, truy cập không dây di động băng rộng (MBWA), hiện đang được phát triển bởi nhóm làm việc IEEE 802.20 cũng có thể là một đối thủ đối với Wimax hiện nay MBWA cũng tương tự như Wimax nhằm mục đích cung cấp kết nối không dây tốc độ cao tới người dùng di động ở tốc độ di động cao (120 – 350 km/h) Ở tốc độ cao như vậy MBWA sử dụng OFDMA làm giao diện vô tuyến và sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu 1Mbps MBWA có thể được thông qua như là một phần của Wimax trong tương lai.
Các chuẩn WiMAX
Mục tiêu của tổ chức IEEE khi phát triển tiêu chuẩn 802.16 là xây dựng một chuẩn chung để dễ dàng cho sự phát triển và phối hợp giữa các nhà sản xuất, nhà cung cấp và cả người sử dụng, bên cạnh đó cũng thúc đẩy quá trình chứng nhận phối hợp hoạt động và tuân thủ cho các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng trên toàn cầu.
Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10 năm 2001 và được công bố vào ngày 8 tháng 4 năm 2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện vô tuyến WirelessMAN cho các mạng vùng đô thị Hỗ trợ truy nhập không dây băng rộng như một công cụ để liên kết giữa các tòa nhà hay các cơ quan, doanh nghiệp với nhau và hỗ trợ kết nối ra các mạng viễn thông khác trên thế giới.
Trong định nghĩa chuẩn IEEE 802.16, một mạng vùng đô thị không dây sẽ được hình thành dựa trên các trạm cơ sở trung tâm (BS) phủ sóng rộng khắp Do hệ thống không dây có khả năng hướng vào những vùng địa lý rộng mà không cần phát triển cơ sở hạ tầng tốn kém như trong việc triển khai các kết nối cáp nên sẽ giảm được rất nhiều chi phí trong việc triển khai
Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập các giao diện vô tuyến dựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các đặc tả lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và những điều chỉnh phổ có liên quan Chuẩn hướng vào các tần số từ 10 – 66 GHz, nơi phổ rộng hiện có sẵn để sử dụng trên toàn cầu, nhưng tại đó những bước sóng ngắn được xem như những thách thức trong việc triển khai do khả năng bức xạ qua vật cản kém, nhất là ở nhưng nơi có nhiều tòa nhà cao tầng như thành phố hay khu đô thị làm giảm đáng kể khả năng phủ sóng Chính vì lý do đó đã là tiền đề cho sự ra đời của chuẩn mới.
Một thay thế cho tiêu chuẩn IEEE 802.16 đã được phát triển ở châu Âu bởi nhóm mạng truy cập vô tuyến băng thông rộng của Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) Tiêu chuẩn châu Âu này được gọi là mạng vô tuyến đô thị hiệu suất cao (HIPERMAN) ETSI HIPERMAN định nghĩa chỉ một lớp vật lý với 256 sóng mang OFDM Lớp vật lý HIPERMAN là một phương thức bắt buộc trong tiêu chuẩn IEEE 802.16 và có thêm định nghĩa hai lớp vật lý khác, sóng mang đơn (SC) và 2048 sóng mang OFDMA ETSI HIPERMAN đã được hài hòa hóa và bắt đầu trở thành một tập hợp con của tiêu chuẩn IEEE 802.16 Vì vậy các sản phẩm phù hợp với ETSI HIPERMAN cũng phù hợp với WiMAX.
Hình 1.1 minh họa sự phát triển của lớp vật lý IEEE 802.16 Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đầu tiên được hoàn thành vào tháng 12 năm 2001 Chuẩn này chỉ định nghĩa chế độ điểm - đa điểm (PMP) cố định với một yêu cầu truyền dẫn tầm nhìn thẳng (LOS) sử dụng sóng mang đơn trong dải tần số từ 10 tới 66GHz IEEE 802.16 có thể cung cấp tốc độ lên tới 134 Mbps nhưng không thể hoạt động trong tầm nhìn bị che khuất (NLOS), do sử dụng sóng mang tần số cao Trong một phiên bản tiếp theo IEEE 802.16a đã được định nghĩa hoạt động trong một môi trường NLOS trong dải tần số từ
2 tới 11 GHz Phiên bản này hoàn thành vào tháng 1 năm 2003 và có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 75 Mbs bằng cách sử dụng giao diện vô tuyến OFDM vàOFDMA Sau khi hài hòa với giao diện vô tuyến OFDM của ETSI HIPERMAN và giao diện OFDMA của WiBro, IEEE 802.16d được hoàn tất trong tháng 10 năm 2004 với cả ba giao diện vật lý: sóng mang đơn, 256 sóng mang OFDM, và 2048 sóng mang OFDMA Trong khi IEEE 802.16d dùng cho mạng cố định, những sửa đổi của IEEE 802.16e sau đó được hoàn tất vào tháng 12 năm 2005 để hỗ trợ mạng di động. Trong IEEE 802.16e OFDMA mở rộng đã được giới thiệu để tiếp tục nâng cao hiệu quả quang phổ.
Hình 1.1 Sự phát triển của lớp vật lý IEEE 802.16
1.2.2 Các chuẩn bổ sung của WiMAX
Những hạn chế của chuẩn ban đầu đã là tiền đề cho các chuẩn mới ưu việt hơn ra đời.
Chuẩn 802.16a được hoàn thành vào tháng 11-2002 và được công bố vào tháng
4 năm 2003 Chuẩn này cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối và điểm kết nối bằng băng tần 2-11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép, với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nối điểm -điểm và 7-10 km trong trường hợp kết nối từ điểm - đa điểm Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70Mbps.
Trong khi với dải tần 10-66 Ghz chuẩn 802.16 - 2001 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng,thì với dải tần 2-11Ghz chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thông có các giải pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình mà công nghệ thuê bao số hay mạng cáp không tiếp cận được So sánh với những tần số cao hơn, những phổ như vậy tạo cơ hội để thu được nhiều khách hàng hơn với chi phí chấp nhận được, mặc dù các tốc độ dữ liệu là không cao Tuy nhiên, các dịch vụ sẽ hướng tới những toà nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa và nhỏ.
Chuẩn này hoạt động trên băng tầng từ 5 – 6 Ghz với mục đích cung ứng dịnh vụ với chất lượng cao, ưu tiên truyền thông tin của những ứng dụng video, thoại, thời gian thực thông qua những lớp dịch vụ khác nhau Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a.
Chuẩn này được định nghĩa thêm các nội dung mới cho dải băng tần từ 10- 66GHz với mục đích cải tiến ứng dụng.
Chuẩn IEEE 802.16 - 2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24 tháng 7 năm 2004 và được công bố rộng rãi vào tháng 9 năm 2004 IEEE 802.16 - 2004 thường được gọi với tên 802.16-REVd Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn 802.16-2001, 802.16a, 802.16c Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập các đặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16 ban đầu.
Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở các môi trường khác nhau (LOS và NLOS).
Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE đưa ra vào tháng 11 năm 2005 Đây là phiên bản phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm cho các dịch vụ di động Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access), kỹ thuật điều chế đa sóng mang sử dụng kênh phụ Băng tần được khuyến cáo dành cho chuẩn là < 6Ghz để phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng và ứng dụng di động Tuy tốc độ và khả năng bao phủ không được lớn như chuẩn cố định, nhưng với kênh băng thông 10 Mhz, nó cũng có thể đạt tới tốc độ 30 Mbps, với khả năng bao phủ tới 15 km Một đặc điểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trong môi trường di động với tốc độ lý thuyết có thể lên tới đến 120 km/h.
Hiện nay Viện Kĩ thuật Điện và Điện tử (IEEE) đã phê duyệt 802.16m - chuẩn cho thế hệ tiếp theo của WiMAX vào năm 2011 IEEE 802.16m, còn được gọi là WirelessMAN-Advanced hoặc WiMax-2, được phát triển tiếp sau 802.16e - chuẩn toàn cầu đầu tiên cho WiMax di động Chuẩn này hướng tới tăng tốc độ truyền của WiMAX lên 1Gbps bằng cách dùng MIMO và các dãy anten
Ngoài ra WiMAX còn có một số chuẩn khác như:
802.16f-2005 - cơ sở thông tin quản lý.
802.16g-2007 - các giao thức và dịch vụ quản lý.
802.16h- Cơ chế cùng tồn tại giữa các dải tần cấp phép (license) và tự do (exempt).
802.16i- Cơ sở thông tin quản lý di động.
802.16j- Các đặc tính chuyển tiếp Multihop
Bảng 1.2 cho chúng ta thấy sự cải tiến các chuẩn để tối ưu hóa về dung lượng cũng như chất lượng của hệ thống.
Bảng 1.2 So sánh chuẩn 802.16, 16a, 16e
Phổ tần 10-66 GHz 2-11 GHz 2-6 GHz
Các điều kiện kênh LOS NLOS NLOS
Tốc độ bít 32-134 Mbps 70 Mbps ở kênh 15 Mbps ở kênh Điều chế
256 sóng mang con OFDM, QPSK, 16QAM, 64QAM
Tính di động Cố định Cố định Di động
Giống như 802.16a với các kênh con đường xuống
Bán kính tế bào thông thường 2-5 Km 7-40m 40 Km
Phân loại
Việc phân loại WiMAX dựa trên các thiết bị đầu cuối là cố định hay di động mà hình thành nên WiMAX cố định hay di động Tiêu chuẩn IEEE 802.16 được phát triển bởi nhóm làm việc thiết kế với mục đích tốc độ cao, băng thông cao và dung lượng cao, tiêu chuẩn cho cả cố định và mạng di động không dây băng rộng Tiêu chuẩn cho mạng cố định và di động không dây tương ứng là IEEE 802.16d và IEEE 802.16e. Các sản phẩm phù hợp với IEEE 802.16d và IEEE 802.16e thường được gọi tương ứng là WiMAX cố định và WiMAX di động WiMAX cố định cho phép truy cập băng thông rộng, trong khi đó WiMAX di động cung cấp đầy đủ tính di động cho các mạng tế bào ở tốc độ băng rộng thực sự Cụ thể:
Hoạt động ở tần số thấp, trong dải tần từ 2 GHz đến 11 GHz Trong chế độ này, dữ liệu được truyền từ trạm Wimax đến thiết bị thu di động Do hoạt động ở tần số thấp nên phạm vi phủ sóng của một trạm Wimax nhỏ, khoảng 6 - 7 km Để có phạm vi phủ sóng rộng hơn người ta cần phải lắp một số lượng lớn các trạm Wimax WiMAX di động sử dụng phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA(Orthogonnal Frequency Division Multiple Access) là sự kết hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng.
Hoạt động ở tần số cao, phổ tần số 10 - 66 GHz, bán kính phủ sóng lên đến 50 km Trong chế độ này, anten của thiết bị thu cần được lắp đặt tầm nhìn thẳng với trạm Wimax Trong WiMAX cố định này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight)
Đặc điểm chung của WiMAX
Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km. Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (Customer Premises Equipment) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài.
Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s.
Có thể đạt được dung lượng 70 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất.
Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: LOS (tầm nhìn thẳng) và NLOS (tầm nhìn không thẳng).
Các anten thu phát trong mạng WiMAX có thể trao đổi thông tin qua các đường truyền LOS hoặc NLOS Đối với trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao do vậy tín hiệu thu được trong trường hợp này rất ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa Tuy nhiên đối với trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn, 2 – 11 GHz tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ…để tới đích.
Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66 GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn hoá
WiMAX có thể hoạt động trong băng tầng từ 2-66 Ghz Các ứng dụng khác nhau sẽ dùng những băng tầng khác nhau để tránh sự giao thoa Cụ thể, các ứng dụng di động dùng băng tầng từ 2-11 GHz Ở nhiều nước châu Âu, băng tầng 3.5 GHz được dành riêng cho WiMAX di động Các ứng dụng cố định (802.16d) thì dùng băng tầng từ 10-66 GHz
Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống
Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz Độ rộng băng tần được chia thành nhiều băng con Với công nghệ OFDMA, cho phép nhiều thuê bao có thể truy nhập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả.
Hỗ trợ truyền dẫn song công TDD và FDD
Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (Time Division Duplexing) và FDD(Frequency Division Duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên(Uplink) và hướng xuống (Downlink) Với FDD thì đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM Còn TDD thì đường lên đường xuống sử dụng cùng một tần số nhưng khác khe thời gian.
Hệ thống WiMAX
Một hệ thống WiMAX hay một mạng WiMAX cũng bao gồm các trạm thuê bao (SS) có thể có hoặc không là các nút sử dụng cuối và có thể là tĩnh hoặc động (cố định hay di động) Các trạm gốc (BS) hay còn có thêm các trạm chuyển tiếp (RS) Các SS nằm trong vùng phủ của BS đều được cung cấp các dịch vụ mạng Việc kết nối giữa các trạm gốc hay trạm phân phối với nhà cung cấp dịch vụ hay giữa các trạm gốc với nhau sẽ được thông qua các đường backhauk Thường thì các đường backhaul có dung lượng lớn nên được truyền trên tầm nhìn thẳng LOS để giảm thiểu mất mát tín hiệu và nhiễu Cũng có thể đường backhaul là các đường truyền cáp Và từ nhà cung cấp dịch vụ sẽ có đường truyền kết nối tới các mạng backbone để kết nối tới các mạng khác.
Nhìn chung một hệ thống WiMAX sẽ gồm hai phần chính:
Một BS bao gồm hai phần: Phần điện tử bên trong và tháp WiMAX Bán kính phủ sóng của một tháp WiMAX theo lý thuyết khoảng 50km nhưng thực nghiệm chỉ giới hạn trong khoảng 10km Bất kì một node truy nhập không dây nào nắm trong bán kính của một tháp WiMAX đều có thể truy nhập Internet.
Hình 1.2 Mô hình hệ thống WiMAX
Hình 1.3 Kết nối tới một trạm gốc
Sóng điện từ thu được từ Anten, theo dây feeder RG213 đi vào trong phòng máy đến một thiết bị đặt trong nhà gọi là WiMAX Access Point Indoor Unit Thiết bị này có chức năng biến đổi tính hiệu sóng điện từ thành tín hiệu điện và xử lý tín hiệu này để kết nối vào hệ thống Hệ thống WiMAX kết nối vào internet thông qua DSLAM như mọi thuê bao ADSL bình thường Cùng kết nối tới hệ thống này có một NMS Server (Network Management Symtem Server) là một máy chủ chạy phần mềm Breezel ITE của Alvarion máy chủ này có chức năng quản lý truy nhập của các CPE, thống kê phân tích lưu lượng Ngoài ra, tại phòng máy còn có một thiết bị gọi là Media Gateway Đây là thiết bị để kết nối hệ thống VoIP với hệ thống PSTN, hai đường dây điện thoại sẽ được gắn với thiết bị này Các thiết bị WiMAX trong nhà Indoor Unit, NMS server, Media Gateway đều được gán địa chỉ Global IP để có thể quản lý từ xa.
Thiết bị thu và anten có thể đứng độc lập hoặc tích hợp trong PC card Việc truy nhập từ thiết bị người dùng đến trạm gốc WiMAX tương tự như truy cập đến AP (Access Point) trong WiFi nhưng phục vụ rộng hơn.
Hình 1.4 Kết nối tới thiết bị thu
Tại End-User thiết bị anten WiMAX được gắn trên nóc nhà để thu phát tín hiệu Từ anten tín hiệu được truyền vào trong nhà đến một thiết bị gọi là IDU Thiết bị IDU có chức năng như một Router với đầy đủ các tính năng định tuyến, DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) IDU có thể kết nối với một switch nhiều cổng để có thể cung cấp kết nối internet cho nhiều máy Mỗi người dùng đầu cuối sẽ được trang bị ít nhất một IP phone để có thể gọi điện thoại qua Internet Đối với ứng dụng gọi điện thoại qua internet (VoIP), hạ tầng WiMAX chỉ đóng vai trò truyền dẫn Về bản chất VoIP độc lập với phương thức truyền dẫn, dù đó là có dây hay không dây Hệ thống VoIP gồm 3 thành phần cơ bản sau đây: SIP server, IP SIP phone và voice Gateway SIP server có vai trò quản lý và định tuyến cuộc gọi, nó giống như tổng đài điện thoại trong mạng PSTN.
Một vài trạm gốc có thể kết nối với các trạm gốc khác bởi các đường liên kết backhaul tốc độ cao Điều này cho phép người sử dụng WiMAX có thể chuyển từ vùng phục vụ của trạm gốc này đến vùng phục vụ của trạm gốc khác, tương tự như chuyển vùng của mạng điện thoại tế bào.
Ngoài kiểu backhaul như trên, trong WiMAX còn có một vài kiểu kiến trúc backhaul cho BS khác : kiến trúc backhaul không dây, kết nối điểm- điểm viba hoặc kết nối backhaul WiMAX Backhaul WiMAX là kiểu backhaul mà tự bản thân BS làm backhaul BS sử dụng một phần băng tần vốn dùng để truyền tải lưu lượng của người dùng cho truyền tải backhaul.
Có hai cấu hình mạng cơ bản trong Wimax: cấu hình điểm - đa điểm (PMP) và cấu hình lưới (mesh) Cấu hình chuyển tiếp hiện vẫn đang được nghiên cứu và phát triển Cấu hình PMP hỗ trợ các đầu cuối như một mạng di động tế bào cơ bản, yêu cầu các đầu cuối phải nằm hoàn toàn trong vùng phủ trạm gốc, thường sử dụng đối với các đầu cuối có chức năng cơ bản Cấu hình Mesh có tính năng mở rộng phạm vi phủ sóng, yêu cầu các đầu cuối phải có tính năng phức tạp hơn Cấu hình chuyển tiếp hỗ trợ sự mở rộng về khoảng cách phủ sóng cho cấu hình PMP.
1.5.2.1 Cấu hình điểm-đa điểm
Trong PMP các trạm thuê bao SS (Subscriber Station) chỉ có kết nối và truyền thông tin với duy nhất một trạm gốc (Base Station) (trong 802.16e SS có thể kết nối với nhiều hơn một BS thông qua chế độ chuyển giao).
Hình 1.5 Cấu hình điểm-đa điểm
Trong cấu hình Mesh, IEEE 802.16 tạo ra một mạng không dây diện rộng tốc độ cao với kiến trúc multihop mesh Trong đó một BS mesh cung cấp backhaul của mạng mesh và điều khiển một hoặc nhiều thuê bao SS Các SS ngoài việc kết nối với các BS còn có thể truyền thông trực tiếp với nhau hoặc định tuyến nhiều bước thông qua các SS.
Trong hoạt động mới này, một mạng chuyển tiếp multihop có được nhờ thêm một trạm chuyển tiếp cố định hoặc di động (RS) vào giữa BS và một SS.
Hình 1.7 Cấu hình chuyển tiếp multihop
Một số kĩ thuật sử dụng trong WiMAX
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật ghép kênh đa sóng mang theo tần số trực giao, và gần đây đã được công nhận là phương thức tốt nhất dành cho việc truyền dữ liệu không dây hai chiều tốc độ cao Tính trực giao trong OFDM cho phép điều chế các sóng mang con chồng lấn lên nhau rất hiệu quả, tận dụng được băng thông mà không gây nhiễu cho các tín hiệu khác Ngày nay, công nghệ này được sử dụng trong các hệ thống ADSL cũng như trong các hệ thống không dây như 802.11 a/g (Wi-fi) và 802.16 (WiMAX) Nó cũng được dùng cho tín hiệu số âm thanh và hình ảnh quảng bá không dây. Điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM, là công nghệ sử dụng nhiều tần số để truyền tín hiệu song song trong cùng một thời điểm.
Hình 1.8 Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao này được thực hiện bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi Mỗi một dòng dữ liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang con riêng biệt, được gọi là các sóng mang con (Sub – carrier) Các sóng mang này được điều chế trực giao với nhau bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận Những sóng mang này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến.
Hiệu quả của OFDM có thể thấy được là yêu cầu về băng thông giảm đi rất nhiều nhờ việc bỏ đi khoảng bảo vệ Do đó OFDM hiệu quả hơn FDM trong trải phổ bởi khoảng cách giữa các kênh con gần nhau hơn gần như chúng chồng lẫn lên nhau. Nhờ sự trực giao này mà hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của toàn bộ hệ thống tăng lên rõ rệt mà không gây ra nhiễu Việc tăng được số lượng sóng mang con với cùng một độ rộng băng thông đã giúp tăng được tốc độ truyền dẫn phù hợp với các mạng truyền dẫn không dây băng rộng như WiMAX.
Hình 1.9 So sánh giữa FDM và OFDM
Một ký hiệu OFDM được tạo thành từ các sóng mang con Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu Con số này tương ứng với kích thước FFT (Fast Fourier Transformer) Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16 - 2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT 256 độ rộng kênh độc lập Trong đó với chuẩn 802.16e - 2005 cung cấp các kích cỡ FFT từ
512 tới 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 1.25 tới 20 MHz để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của ký tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các sóng mang con trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn.
1.6.2 Chuỗi bảo vệ Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI) Một mẫu tín hiệu có độ dài là Ts (tính theo đơn vị thời gian), chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài Tg ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu này như hình vẽ sau (do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix-CP) Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường nếu thỏa mãn điều kiện về độ dài chuỗi bảo vệ.
Cụ thể nếu máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài Tg được sao chép từ dưới lên thì tín hiệu này có chiều dài là T=Ts+Tg Do hiệu ứng đa đường, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau Trong hình vẽ mô tả dưới đây, tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài Tg sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này Trong trường hợp Tg ≥ time ISI như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là Tg lớn hơn timeISI lớn nhất.
Hình 1.11 ISI và cyclic prefix
Nếu như ở các chuẩn đầu WiMAX chỉ hỗ trợ TDD thì đến các chuẩn tiếp theo đã hỗ trợ cả hai phương thức song công FDD và TDD trong các mô hình ứng dụng của nó
Kỹ thuật này chia kênh tần số ra làm hai kênh riêng biệt, một tần số được sử dụng cho chiều lên, còn tần số còn lại được sử dụng cho chiều xuống.
Kỹ thuật này cho phép các khung đường lên và đường xuống có thể nằm trên cùng một kênh, tuy chúng ở những khe thời gian khác nhau.
Tuy nhiên xét một cách tổng quát thì TDD linh động hơn hẳn FDD bởi với kĩ thuật TDD có thể cấp phát một cách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiều truyền và nhận dữ liệu, điều này rất hữu ích và quan trọng trong các đường truyền Internet với tỉ lệ UL/DL không phải lúc nào cũng là 50/50 Xét một cách tổng quát thì TDD có thể mang lại sự linh hoạt cũng như giúp nâng cao năng lực của hệ thống lên rất nhiều TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống và đường lên để hỗ trợ lưu lượng đường xuống và đường lên một cách hiệu quả và linh hoạt, trong khi đó với FDD thì lưu lượng đường xuống và đường lên luôn luôn bị cố định và thường là bằng với băng thông DL và UL Không giống như FDD với việc yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường xuống và đường lên, điều này dẫn đến mềm dẻo hơn đối với sự phân chia phổ thay đổi.
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là một kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần trực giao được phát triển dựa trên nền tảng của kĩ thuật OFDM Trong OFDMA, băng tần sẽ được chia thành các băng tần con, mỗi băng tần con là một sóng mang con Một số các sóng mang con, không cần thiết phải nằm liền kề nhau sẽ được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu lượng cụ thể.
Hình 1.13 Sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA Đa truy nhập thể hiện ở yếu tố cùng một thời điểm sẽ mang tín hiệu của nhiều người dùng, khác với OFDM mỗi người dùng sẽ sử dụng toàn bộ băng tần tại cùng một thời điểm Tùy theo yêu cầu mà mỗi người dùng sẽ được sử dụng một vài sóng mang con được cho phép.
OFDMA cũng có dạng mở rộng là SOFDMA Trong OFDM và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằng nhau với phổ có sẵn Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến việc chuyển giao giữa các hệ thống gặp khó khăn Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao SOFDMA theo tỉ lệ sẽ giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ cho tỉ lệ số lượng sóng mang con và độ rộng băng tần không gian sóng mang con không thay đổi Nói cách khác, số sóng mang con có thể tăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước Ví dụ, nếu một băng tần 5MHz 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- OFDMA nên một máy di động có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách dễ dàng Điểm quan trọng của SOFDMA là nó luôn giữ cho khoảng cách tần số giữa các subcarrier (sóng mang con) là luôn luôn không đổi cho các băng tần hệ thống khác nhau Khoảng cách tối ưu đã được chứng minh là tầm 10.94kHz Tối ưu theo nghĩa là nhiễu inter-symbol là thấp nhất và SNR là lớn.
Thông thường, với hệ thống thông tin di động, điều khiển công suất bao gồm điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín nhằm thay đổi công suất phát của MS tương ứng với khoảng cách với BTS.
Điều khiển công suất vòng hở: BTS đo cường độ trường tại điểm thu, tính ra cự li, tính ra công suất phát phù hợp.
Điều khiển công suất vòng kín: MS đo cường độ trường, gửi lên BSC, BSC sẽ tính toán cho MS tăng hay giảm công suất cho phù hợp.
Trong WiMAX dùng điều khiển công suất vòng kín, các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực hiện nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới từng CPE để ổn định mức công suất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc luôn ở mức định trước Trong một môi trường fading thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất theo yêu cầu, ngược lại mức công suất phát của CPE sẽ không phù hợp Công suất phát sẽ làm giảm năng lượng tiêu thụ tổng của CPE và nhiễu tiềm ẩn từ các trạm gốc lân cận Với LOS, công suất phát của CPE xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cách của nó tới trạm gốc, với NLOS nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng trống và chướng ngại vật.
Ưu nhược điểm của WiMAX
1.7.1 Ưu điểm Được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.802.16, WiMAX là hệ thống đa truy nhập không dây băng rộng dùng công nghệ OFDM với cả hai kiểu đường truyền Line- of-Sight (LOS) và Non-Line-of-Sight (NLOS) Hệ thống WiMAX có một vài ưu điểm sau:
Khả năng triển khai nhanh
Triển khai nhanh, chi phí thấp: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu Ngoài ra, dựa trên các chuẩn mở của
WiMAX, sẽ không có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫn đến việc cạnh tranh của nhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ thống giảm đáng kể.
WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa điểm, công nghệ lưới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi Điều khiển truy nhập môi trường – MAC, phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động (MS) Nếu có duy nhất một MS trong mạng, trạm gốc (BS) sẽ liên lạc với MS trên cơ sở điểm – điểm Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn.
Khả năng mở rộng Để thực hiện dễ dàng việc triển khai hệ thống WiMAX ở cả dải tần cấp phép và dải tần miễn phí, chuẩn 802.16 cung cấp một cách linh động các băng thông kênh truyền Cụ thể chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh vô tuyến Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau.
WiMAX hỗ trợ các điều chế đa mức, bao gồm BPSK, QPSK, 16-QAM, và 64- QAM Khi được trang bị với một bộ khuếch đại công suất lớn và hoạt động với điều chế mức thấp như BPSK hoặc QPSK, các hệ thống WiMAX có thể bao phủ một vùng địa lý rộng khi giữa BS và SS không bị vật cản Để hỗ trợ một cách mạnh mẽ và linh động các mô hình điều chế, WiMAX cũng cung cấp các công nghệ làm tăng phạm vi bao phủ, bao gồm kĩ thuật cấu hình lưới, chuyển tiếp kết hợp với hệ thống anten thông minh
Tính năng hỗ trợ trong lớp MAC của chuẩn 802.16 cho phép một nhà điều hành mạng có thể cung cấp đồng thời nhiều loại dịch vụ Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE) Khả năng cung cấp dịch vụ thoại là đặc biệt quan trọng, nhất là trong môi trường toàn cầu như hiện nay Chính vì vậy WiMAX cung cấp các thành phần đảm bảo QoS cho phép triển khai các dịnh vụ thoại, video với độ trễ thấp
WiMAX hỗ trợ AES (chuẩn mã hóa tiên tiến) và DES (trong đó là chuẩn mã hóa số liệu) Bằng cách mật mã hóa các liên kết giữa BS và SS, WiMAX cung cấp các thuê bao riêng nhằm mục đích chống nghe trộm và bảo mật trên giao diện không dây băng rộng Bảo mật cũng cung cấp cho các nhà khai thác sự bảo vệ mạnh mẽ, chống sử dụng trộm dịch vụ WiMAX cũng được xây dựng hỗ trợ VLAN, và cung cấp sự bảo vệ dữ liệu được truyền bởi các người sử dụng khác nhau trên cùng một BS Tính năng bảo mật được tích hợp sẵn trong chuẩn 802.16 cung cấp một cơ chế truyền thông tin cậy và an toàn Chuẩn 802.16 định nghĩa riêng một lớp con cho bảo mật thuộc lớp MAC gọi là Secure-Sublayer.
Với bất kỳ hệ thống truyền thông vô tuyến nào thì ảnh hưởng của môi trường truyền sóng là không thể tránh khỏi, hệ thống WiMAX cũng có những hạn chế về đường truyền:
Ảnh hưởng của thời tiết xấu, mưa to có thể làm gián đoạn các dịch vụ.
Các sóng vô tuyến điện lân cận có thể gây nhiễu với kết nối WiMAX, và là nguyên nhân gây ra sự suy giảm dữ liệu trên đường truyền hoặc làm mất kết nối.
Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế sự phổ biến công nghệ rộng rãi.
Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do hiện nay trên thế giới đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau.Theo diễn đàn WiMAX có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứng nhận bao gồm : Alvarion, Selex Communication, Airspan,Proxim Wilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim,Wavesat, Aperto, Axxcelera.
Các ứng dụng của WiMAX
WiMAX có thể cung cấp rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống Dựa vào đặc tính công nghệ và các lớp dịch vụ WiMAX cho phép hỗ trợ một lượng lớn ứng dụng được thể hiện trong bảng 1.3 dưới đây.
Bảng 1.3 Ứng dụng của WiMAX
Mô tả Thời gian thực Loại ứng dụng Độ rộng băng tần
Trò chơi tương tác Có Trò chơi 50-85 kbps
VoIP, Video hội nghị Có
Công nghệ thông tin Không
Bản tin tức thời 1 Mbps
Bên cạnh các ứng dụng thông thường kể trên WiMAX cũng đáp ứng vai trò của một mạng IP thuần túy Các mạng riêng là mạng dành riêng cho một tổ chức, cơ quan hoặc cơ sở kinh doanh, cung cấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo, chuyển giao tin cậy thoại, dữ liệu và hình ảnh Triển khai đơn giản và nhanh thường được ưu tiên cao, và các cấu hình tiêu biểu là điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm Cụ thể WiMAX có thể được dùng trong các mạng riêng như mạng ngân hàng, mạng giáo dục Hay như các mạng công cộng truyền thống Trong mạng công cộng, các tài nguyên được truy cập, chia sẻ với các người sử dụng khác nhau, gồm cả các hãng kinh doanh và các cá nhân riêng biệt Nói chung mạng công cộng yêu cầu lợi nhuận qua việc cung cấp vùng phủ khắp nơi, vì vị trí của người sử dụng hoặc là cố định hoặc có thể dự đoán được Các ứng dụng chính của mạng công cộng là truyền thông thoại và dữ liệu, mặc dù truyền thông video đang trở nên phổ biến hơn An ninh là một yêu cầu then chốt, vì nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một mạng Hỗ trợ kèm theo VLAN và mã hoá dữ liệu là giải pháp an ninh được sử dụng Mạng công cộng bao gồm một số bối cảnh sử dụng được minh hoạ dưới đây Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụngWiMAX để phát dịch vụ cho các thị trường ít được quan tâm trong các vùng nông thôn, vùng ngoại ô của các thành phố Sự phân phát kết nối nông thôn là vấn đề then chốt trong các nước đang phát triển và các vùng ít được quan tâm của những nước phát triển, mà ở đó không có hoặc có rất ít cơ sở hạ tầng có giá trị Kết nối thông thôn chủ yếu cung cấp dịch vụ Internet và điện thoại Vì WiMAX cung cấp vùng phủ rộng nên đây là một giải pháp mang lại lợi nhuận nhiều nhất.
Kết luận chương
Chương 1 trình bày khái quát được những đặc điểm cơ bản của WiMAX bao gồm khái niệm, các chuẩn, đặc điểm cũng như một số kĩ thuật được sử dụng cho một hệ thống WiMAX Ngoài ra, chương này cũng nêu lên được các ưu điểm và nhược điểm hệ thống sử dụng công nghệ WiMAX cùng các ứng dụng đa dạng của WiMAX trong cuộc sống Chương này sẽ là nền tảng cho để tìm hiểu sâu hơn về mô hình phân lớp của WiMAX ở chương tiếp theo.
Mô hình phân lớp của WiMAX
Mô hình phân lớp
Trong mô hình phân lớp WiMAX được chia làm hai mặt phẳng tham chiếu gồm mặt phẳng quản lý và mặt phẳng dữ liệu-điều khiển Mặt phẳng quản lí là mặt phẳng chứa các thực thể để quản trị mạng, hỗ trợ hệ thống quản lí Mặt phẳng dữ liệu-điều khiển được phân thành các lớp tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI đảm bảo cho việc truyền tin giữa hai trạm trong một cuộc kết nối và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên Trong chương này chỉ trình bày về mặt phẳng dữ liệu-điều khiển Đối với mặt phẳng dữ liệu-điều khiển gồm hai lớp lớn là lớp vật lí (PHY) và lớp MAC, lớp PHY tương ứng với lớp 1 (lớp vật lý) và lớpMAC tương ứng với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) trong mô hình OSI Trong đó lớpMAC lại được chia thành ba lớp con gồm: lớp con hội tụ (Convergence Sublayer), lớp con phần chung MAC (Common Part Sublayer) và lớp con bảo mật (PrivacySublayer) Giữa các lớp con là các điểm truy nhập dịch vụ (SAP) hỗ trợ truyền thông giữa các lớp con Chức năng của lớp con hội tụ là ánh xạ các dữ liệu lớp cao thành cácSDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ), lớp con phần chung sẽ thực hiện việc phân đoạn, ghép nối hay đóng gói các SDU này thành các PDU (đơn vị dữ liệu giao thức) Lớp con bảo mật thực hiện việc nhận thực và mã hóa dữ liệu trước khi được truyền trong môi trường vô tuyến Các chức năng cụ thể sẽ được trình bày ở phần dưới.
Hình 2.15 Mô hình phân lớp WiMAX
Lớp MAC
Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động độc lập với lớp vật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến Chức năng nhiệm vụ chủ yếu của lớp MAC tập trung vào việc quản lý tài nguyên trên các liên kết vô tuyến Tính toán và đáp ứng được các yêu về cầu tốc độ dữ liệu cao trên cả hai kênh đường lên và và đường xuống cũng như việc cung cấp các cơ chế điều khiển truy cập và cấp phát băng thông hiệu quả có khả năng đáp ứng cho đầu cuối trên mỗi kênh.
Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng dựa trên kiến trúc tập trung, hỗ trợ mô hình Point-to-Point, Point-to-Multipoint và Mesh Trạm BS đóng vai trò trung tâm có khả năng điều khiển đồng thời nhiều sector độc lập Các giao thức lớp MAC chuẩn 802.16 là hướng kết nối Vào thời điểm truy nhập mạng, mỗi SS sẽ tạo một hoặc nhiều kết nối với BS để truyền tải dữ liệu trên cả hai hướng đường lên và xuống.Đơn vị lập lịch lớp MAC sẽ sử dụng tài nguyên liên kết vô tuyến để cung cấp các mứcQoS tùy theo yêu cầu Lớp MAC cũng thực hiện chức năng tương thích liên kết và truyền lại tự động ARQ (Automatic Repeat Request) nhằm duy trì thông lượng dữ liệu đối đa với tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rates) chấp nhận được Lớp MAC chuẩn IEEE802.16 cũng điều khiển quá trình truy nhập và rời khỏi mạng của SS, thực hiện tạo và truyền các đơn vị dữ liệu giao thức PDU (Protocol Data Unit) Ngoài ra, lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 còn cung cấp lớp con hội tụ hỗ trợ lớp mạng tế bào ATM (Asynchronous Transfer Mode) và lớp mạng gói
Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 bao gồm 3 lớp con
• Lớp con phần chung MAC.
Hình 2.16 Luồng dữ liệu qua mỗi lớp Ở phía phát, phần cứng WiMAX tiếp nhận dữ liệu từ các lớp cao Hình thể hiện luồng dữ liệu qua các lớp Mỗi lớp sẽ thực hiện đóng gói dữ liệu nhận được từ các lớp trên Tại lớp thấp nhất, dữ liệu được truyền dưới dạng bit qua môi trường truyền đến nơi nhận Tại phía thu, dữ liệu sẽ được giải đóng gói để lấy các thông tin phần tải trọng cần thiết và các thông tin này được gửi lên các lớp cao hơn.
2.2.1 Lớp con hội tụ (MAC CS)
Lớp con hội tụ tiếp nhận các gói dữ liệu từ các lớp phía trên thông qua điểm truy nhập dịch vụ lớp con hội tụ CS SAP (CS Service Access Point) để ánh xạ thành các đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU (Service Data Unit) Các MAC SDU này được chuyển đến lớp con phần chung MAC thông qua các điểm truy nhập dịch vụ lớp con phần chung (CPS SAP) Tại lớp con hội tụ, các SDU được phân loại và kết hợp với một giá trị định danh luồng dịch vụ SFID (Service Flow Identifier) và một kết nối định danh riêng CID (Conection Identifier) Ngoài ra, lớp con hội tụ còn thực hiện một số các chức năng phức tạp khác như nén tiêu đề tải PHS (Payload Header Suppression) và tái thiết nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên.
Lớp con hội tụ chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa hai loại ánh xạ các dịch vụ, các ánh xạ dịch vụ khác có thể được phát triển trong tương lai.
Lớp con hội tụ ATM dành cho việc ánh xạ các dịch vụ ATM.
Lớp con hội tụ packet dành cho việc ánh xạ các dịch vụ gói như IPv4 hoặc IPv6, Ethernet và VLAN. Để hỗ trợ hai loại ánh xạ này thì WiMAX định nghĩa ra hai lớp con hội tụ CS tương ứng được cung cấp là: lớp con hội tụ ATM (ATM CS) và lớp con hội tụ gói (Packet CS) Lớp con hội tụ ATM, hay ATM CS là một giao diện logic kết hợp các dịch vụ ATM khác nhau Với ATM CS nhận các tế bào ATM từ lớp ATM, thực hiện phân loại và nếu được cung cấp PHS (nén tiêu đề tải trọng), sau đó phát các CS SDU đến MAC SAP phù hợp Lớp con hội tụ gói hay Packet CS dành cho các dịch vụ dữ liệu dạng gói ví dụ như Ethernet, PPP, IP và VLAN Trong quá trình gửi thông tin dữ liệu từ lớp cao hơn chuyển xuống, lớp CS có trách nhiệm phát các MAC SDU đến MAC SAP ngang cấp phù hợp với QoS, việc phân đoạn, ghép nối, và các chức năng truyền tải khác, kết hợp với các đặc điểm luồng dịch vụ của một kết nối cụ thể Với quá trình nhận tin, CS có trách nhiệm nhận MAC PDU từ các MAC SAP Sau khi xử lý như phân loại, giải nén tiêu đề…và gửi đến thực thể lớp cao hơn
Tóm lại lớp này thực hiện các chức năng sau:
Nhận dữ liệu từ lớp cao hơn Luồng dữ liệu lớp cao này sau khi đi qua điểm truy nhập dịch vụ SAP sẽ tạo thành MAC SDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ) Sau khi nhận có thể tiến hành phân loại các dữ liệu lớp cao (phân loại SDU) dựa trên định danh kết nối CID (Connection Identifier).
Phát các CS SDU đến các MAC SAP thích hợp
Nhận CS SDU từ thực thể cùng cấp.
2.2.2 Lớp con phần chung MAC (MAC CPS)
Lớp này bắt đầu hỗ trợ truyền thông giữa trạm gốc BS và trạm thuê bao SS. Một trạm gốc BS (Base Station) có thể gửi thông tin đến các trạm thuê bao SS (Subcrible Station) và nhận thông tin từ các SS BS định nghĩa hai đơn vị uplink-MAP (UL-MAP) và downlink-MAP (DL-MAP) chứa thông tin mô tả kênh được phân chia thành các khe thời gian Quá trình điều khiển, truyền dữ liệu và cấp phát băng thông được thực hiện tại các khe thời gian riêng biệt. Để thực hiện điều này thì BS và SS liên lạc với nhau qua các liên kết được đặc trưng bởi giá trị định danh kết nối CID 16 bít được gán trong quá trình thiết lập kết nối Một SS có thể sử dụng nhiều kết nối và giá trị CID này sẽ được dùng để phân biệt các loại kết nối với nhau Các kết nối có thể là unicast một BS và một SS sử dụng kết nối hoặc ở dạng multicast một BS và một số SS sử dụng chung một kết nối Bên cạnh đó lớp con phần chung cũng chịu trách nhiệm cấp phát băng thông Do kết nối của SS có các mức QoS khác nhau, do đó băng thông cấp phát cho từng kết nối phụ thuộc vào mức QoS tương ứng của kết nối
Tóm lại phần chung của lớp MAC IEEE 802.16 có chức năng:
Định nghĩa tất cả các quản lý kết nối.
Phân phối băng thông, yêu cầu và cấp phát, thủ tục truy nhập hệ thống.
Lập lịch dịch vụ và chất lượng dịch vụ.
Thiết lập, thay đổi, xóa kết nối và truyền tải dữ liệu trên các kênh.
Trong WiMax sử dụng phương pháp hướng kết nối Điều này có nghĩa là trước khi gửi dữ liệu thì phải thiết lập kết nối giữa một SS và một BS hay giữa các SS với nhau Có hai loại kết nối là kết nối điều khiển và kết nối dữ liệu Hai loại kết nối này lại được phân thành 4 loại kết nối: cơ sở (base), sơ cấp (primary), thứ cấp (secondary) và dữ liệu (data) Loại kết nối dữ liệu được sử dụng để truyền thông tin của người dùng, trong khi ba loại còn lại thì được sử dụng để truyền thông tin điều khiển gọi là kết nối quản lý MAC Ba kết nối quản lí: Basic Connection kết nối cơ sở được sử dụng cho những thông tin có thời gian ngắn, Primary Management connection kết nối quản lý sơ cấp được sử dụng cho những kết nối dài hơn, có độ trễ thông tin nhiều hơn.
Secondary Management Connection kết nối quản lý thứ cấp được dùng cho các thông tin quản lý lớp cao hơn và dữ liệu cấu hình SS Ngoài ra còn có một số các liên kết được dành riêng cho các mục đích khác như kết nối quảng bá Broadcast connection, kết nối chuyển tải các báo hiệu xung đột, thăm dò….
Sau khi thực hiện kết nối thì lớp con phần chung sẽ tiếp tục chịu trách nhiệm cấp phát băng thông Băng thông được cấp phát cho một trạm SS mới cũng như cấp bổ sung cho một trạm SS nếu có yêu cầu Một số các kết nối của SS có các mức QoS khác nhau, do đó băng thông cấp phát cho từng kết nối phụ thuộc vào mức QoS tương ứng của kết nối Để được cấp phát băng thông thì đầu tiên SS phải sử dụng để thông báo cho BS rằng chúng cần cấp phát dải thông đường lên Bản tin yêu cầu dải thông có thể được truyền trong bất cứ vị trí đường lên nào, ngoại trừ trong khoảng kết nối ban đầu Các yêu cầu dải thông có thể là tăng thêm hoặc thay thế cấp mới băng thông. Khi BS nhận một yêu cầu dải thông tăng, nó sẽ thêm lượng dải thông cung cấp cho
SS Khi BS nhận một yêu cầu dải thông cấp mới, BS sẽ thay thế băng thông cũ bằng băng thông mới Các yêu cầu băng thông chia làm bốn kiểu:
Implicit request: Trong thực tế, kiểu yêu cầu này là những thỏa thuận tại thời điểm thiết lập kết nối.
Bandwidth Request message: Có hai kiểu thông báo incremental hoặc aggregate Khi trạm BS nhận được một thông báo yêu cầu băng thông kiểu incremental, sẽ cấp phát bổ sung một lượng băng thông theo yêu cầu cho kết nối Ngược lại, khi trạm BS nhận được một thông báo yêu cầu băng thông kiểu aggregate, sẽ cấp phát một lượng băng thông thay thế cho lượng băng thông hiện tại Trường Type trong tiêu đề yêu cầu băng thông chỉ thị kiểu thông báo yêu cầu băng thông là incremetal hay aggregate.
PiggyBacked request (cho các dịch vụ khác UGS): Được chứa trong tiêu đề con Grant Management, không có trường Type, do đó mặc định kiểu incremental.
Poll-Me bit (chỉ cho dịch vụ UGS): Được trạm BS sử dụng để thăm dò băng thông cho các dịch vụ khác UGS.
Trong quá trình cấp phát băng thông đầu tiên trạm SS sẽ nhận 2 thông báo: UL- MAP và DL-MAP Thông báo UL-MAP chứa tham chiếu đến các khe thời gian time slot cho phép SS gửi dữ liệu đến BS và thông báo DL-MAP chứa tham chiếu đến các khe thời gian cho phép SS nhận dữ liệu từ BS Đối với việc cấp phát băng thông của một SS, các yêu cầu dải thông liên quan tới các kết nối riêng trong khi mỗi cấp phát dải thông được gửi tới CID cơ bản của SS, không phải tới các CID riêng Bởi vì không xác định trước yêu cầu sẽ được thực hiện đúng, do đó SS có thể nhận được lượng băng thông ít hơn yêu cầu Trong tất cả các trường hợp, dựa vào thông tin nhận được sau cùng từ BS và trạng thái của yêu cầu, SS có thể quyết định thực hiện yêu cầu trở lại Một SS có thể sử dụng các thành phần thông tin yêu cầu mà được quảng bá, trực tiếp ở một nhóm thăm dò multicast mà nó là một thành viên trong đó, hoặc trực tiếp ở CID cơ bản của nó Có hai kiểu cấp phát băng thông được định nghĩa, cả hai kiểu cấp phát đều yêu cầu băng thông trên các kết nối, cho phép các trạm BS điều chỉnh các yêu cầu QoS cho phù hợp khi tiến hành cấp phát băng thông.
Cấp phát trên mỗi kết nối GPC (Grant per Connnection): Băng thông được BS cấp phát riêng cho mỗi kết nối, và SS sử dụng băng thông được cấp phát chỉ cho kết nối đó Thích hợp trong trường hợp số lượng các kết nối hạn chế trên mỗi trạm SS
Cấp phát trên mỗi trạm thuê bao GPSS (Grant per SubScrible): Băng thông được BS cấp phát toàn bộ tương ứng với yêu cầu của SS SS chịu trách nhiệm phân phối lượng băng thông được cấp phát cho các kết nối, duy trì mức QoS trên các kết nối và thỏa thuận các mức dịch vụ Thích hợp trong trường hợp có nhiều kết nối trên mỗi trạm SS.
Lớp vật lí
Lớp PHY là lớp chịu trách nhiệm về quá trình truyền của khung Có 5 giao diện vật lí trong WiMAX Giao diện đầu tiên của nó là WirelessMAN-SC Ban đầu đặc tả PHY được định nghĩa cho 10–66 GHz là truyền lan trong môi trường tầm nhìn thẳng LOS và sử dụng điều biến sóng đơn mang Tiếp theo là giao diện mở rộng của WirelessMAN-SC là WirelessMAN-Sca Tuy nhiên dải tần hoạt động này còn nhiều hạn chế trong những khu vực đô thị tầm nhìn bị che khuất Do đó để khắc phục hạn chế truyền LOS trong dải 10-66 GHz, lớp vật lý 2–11 GHz được thiết kế do nhu cầu theo hướng hoạt động trong tầm nhìn không thẳng NLOS với giao diện Tiếp theo các giao diện vật lí của WiMAX tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, đó là WirelessMAN-OFDM định nghĩa cho băng tần 2 -11 GHz sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao với 256 sóng mang Đa truy nhập của các trạm thuê bao khác nhau dựa vào đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA) Cả TDD và FDD được hỗ trợ Tiếp đến là sự phát triển của giao diện WirelessMAN-OFDMA sử dụng truy cập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao với 2048 sóng mang để cung cấp nhiều hơn một sóng mang trên một trạm thuê bao SS Hiện nay giao diện WirelessHUMAN được phát triển với 1/256/2048 sóng mang trên băng tần 2 – 11 Ghz, hỗ trợ song công TDD.
Bảng 2.6 So sánh các giao diện vật lí
Giao diện SC SCa OFDM OFDMA HUMAN
10-66GHz 2-11GHz 2-11GHz 2-11GHz 2-11GHz
BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM
TDD,FDD TDD,FDD TDD,FDD TDD,FDD TDD Độ rộng kênh
Về cơ bản, WiMAX hỗ trợ cả hai phương pháp song công TDD và FDD Trong FDD, quá trình truyền trao đổi hai hướng ở hai tần số khác nhau trong khi TDD thì chỉ sử dụng một tần số duy nhất nhưng lại ở những thời gian khác nhau Khung TDD gồm hai phần: downlink subframe và uplink subframe FDD cần có hai kênh, một đường lên (uplink), một đường xuống (downlink).
Kết luận chương
Chương 2 đã trình bày về mô hình phân lớp cùng cấu trúc chức năng, nhiệm vụ lớp MAC và lớp vật lí của WiMAX, là nền tảng cho cấu trúc khung MAC sẽ trình bày ở chương 3.
Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX
Cấu trúc khung TDD
Trong một hệ thống OFDM, chuỗi dữ liệu cao đầu vào sẽ được tách thành nhiều chuỗi song song với tốc độ dữ liệu thấp hơn, mỗi chuỗi đó sẽ được điều chế thành các tín hiệu số trực giao hay nói cách khác được mang trên các sóng mang con trực giao Băng thông tín hiệu cơ bản được truyền dẫn là toàn bộ băng thông tín hiệu trong tất cả những sóng mang con Ở miền thời gian Symbol OFDM có độ dài Ts, trong đó Tb là khoảng thời gian thực của symbol, còn Tg = Ts – Tb là phần copy từ cuối lên để chống hiện tượng đa đường Phần này gọi là tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix), nó có thể có các giá trị (độ dài) khác nhau tuỳ vào hệ thống và thỏa mãn điều kiện chống đa đường.
Hình 3.25 Cấu trúc symbol OFDM trong miền thời gian
Trong miền tần số, mỗi symbol OFDM được tạo ra bởi việc ánh xạ các chuỗi symbol trên các sóng mang con Wimax có 3 kiểu sóng mang con:
Sóng mang con dữ liệu: được sử dụng cho việc mang các symbol dữ liệu
Sóng mang con dẫn đường: được sử dụng cho việc mang các symbol dẫn đường (pilot) Các symbol dẫn đường được biết đến như một sự ưu tiên và có thể được sử dụng cho đánh giá kênh và dò kênh
Sóng mang con rỗng: không có công suất được cấp đến chúng, bao gồm các sóng mang con một chiều DC và các sóng mang con bảo vệ (guard)
Hình 3.26 Cấu trúc symbol OFDM trog miền tần số
Hình 3.27 Miêu tả OFDM symbol trong miền tần số và thời gian
PHY 802.16e hỗ trợ cả TDD và FDD tuy nhiên, phiên bản đầu của WiMAX di động chỉ hỗ trợ chế độ TDD TDD là một kĩ thuật song công dựa trên đa truy nhập phát và tín hiệu thu Một đặc điểm khác khiến TDD được sử dụng trong WiMAX di động thế hệ đầu là đường tín hiệu radio uplink và downlink là rất giống trong hệ thống mà các thiết bị đầu cuối di chuyển chậm điều đó có nghĩa là công nghệ như beamforming làm việc rất tốt với hệ thống TDD Sự sắp xếp có hệ thống của TDD có thể cấp phát một cách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiều truyền và nhận dữ liệu, điều này đặc biệt quan trọng trong các đường truyền với tỉ lệ UL/DL không bị bắt buộc phải là 50/50 Xét một cách tổng quát thì TDD có thể mang lại sự linh hoạt cũng như giúp nâng cao năng lực của hệ thống lên rất nhiều Tuy nhiên, việc sử dụng TDD trong phiên bản đầu này của WiMAX di động gặp phải một nhược điểm đó là bị hạn chết bởi dài tần nhỏ. Để hiệu quả TDD chia dòng dữ liệu ra thành nhiều khung và với mỗi khung này lại chia thành các khe thời gian để truyền đi và nhận về Đối với vấn đề xuyên nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng bộ hệ thống ở diện rộng, tuy nhiên TDD sẽ ưu tiên chế độ song công vì những lý do sau:
TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống/đường lên để hỗ trợ lưu lượng đườngxuống/đường lên một cách hiệu quả, trong khi đó với FDD, đường xuống và đường lên luôn luôn bị cố định và thường bằng với băng thông DL và UL.
TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền, MIMO và các công nghệ anten khác.
Không giống như FDD với việc yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường xuống và đường lên, điều này dẫn đến mềm dẻo hơn đối với sự phân chia phổ thay đổi.
Thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD là ít phức tạp hơn và do đó sẽ tốn kém hơn.
Hình 3.28 Cấu trúc khung TDD
Hình vẽ trên đây minh hoạ cấu trúc khung OFDM với phương thức song công phân chia theo thời gian (TDD) Mỗi khung được chia thành khung con DL và UL riêng rẽ bởi các bộ chuyển dịch phát/thu và thu/phát (TTG và RTG tương ứng) để chống lại sự xung đột trong truyền dẫn DL và UL Trong một khung, thông tin điều khiển sau được sử dụng để đảm bảo hoạt động hệ thống tối ưu Symbol OFDM đầu tiên trong khung con đường xuống được sử dụng cho truyền dẫn phần mào đầu DL. Phần mào đầu có thể được sử dụng cho những thủ tục khác nhau của lớp vật lý như đồng bộ về thời gian và tần số, đánh giá kênh ban đầu, đánh giá tạp âm và nhiễu. Trong symbol OFDM sau phần mào đầu khung DL, những kênh con đầu tiên được cấp cho tiêu đề điều khiển khung FCH Trường FCH được sử dụng cho việc mang thông tin điều khiển hệ thống, như các sóng mang con được sử dụng (trong trường hợp phân đoạn), các kênh con ranging, và chiều dài bản tin DL-MAP Thông tin này được mang trên bản tin DL_Frame_Prefix nằm bên trong FCH FCH luôn luôn được mã hóa với phương thức mã hóa BPSK 1/2 để đảm bảo cường độ tín hiệu tối đa SauFCH là bản tin DL-MAP và UL-MAP, mà nó phân vùng dữ liệu của người sử dụng khác nhau trong các khung con DL và UL của khung hiện tại Bằng cách lắng nghe những thông điệp này, mỗi MS có thể nhận diện các kênh con và symbol được cấp đường xuống (DCD) và tập miêu tả kênh con đường lên (UCD) sau bản tin UL-MAP,chúng bao gồm các thông tin điều khiển thêm vào để duy trì việc miêu tả cấu trúc kênh và bust profile cho phép khác nhau bên trong BS được ấn định Kênh ULCQICH được phân bổ cho MS để trả lời lại các thông tinvề trạng thái kênh Kênh ULACK được sử dụng cho MS để trả lời lại thông báo DL HARQ.
Cấu hình trúc khung trong chế độ PMP
Trong WiMAX việc truyền thông PMP sẽ cung cấp thông tin giữa BS tới bất kỳ một SS nằm trong vùng phủ sóng của BS Các SS muốn liên lạc để truyền thông với một trạm gốc có thể phát quảng bá qua một tần số duy nhất thông qua kênh quảng bá.
Có thể hình dung việc truyền dẫn này giống như đường đi từ cấu trúc thân-nhánh cây tới các trạm đặt ở vị trí lá cây Các trạm SS có thể truyền thông đơn hướng trên 1 tần số duy nhất thông qua cấu trúc nhánh-thân cây tới trạm gốc Trong cấu trúc kiểu
“thân-nhánh cây” này, các nút ở vị trí lá cây không thể giao tiếp trực tiếp với nhau hay nói trực tiếp các SS không thể liên lạc trực tiếp với nhau và do đó không có truyền thông ngang hàng giữa hai nút (pear to pear) Trong việc chuyển tiếp thông tin, một anten trung tâm hoặc cụm anten ở trạm gốc sẽ gửi quảng bá tới các anten nhận ở trạm di động Mặt khác, hệ thống sử dụng một dạng của cấu trúc đa truy nhập cho sự truyền đi ngược hướng Kênh thông tin có thể được truyền dẫn đồng thời giữa hướng chuyển tiếp và ngược lại thông qua các kĩ thuật song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD).
Trong Wimax, trạm gốc và trạm đầu cuối (di động hoặc cố định) được gọi tương ứng là BS và SS Minh họa trong hình 3.5, tín hiệu từ BS có thể tới tất cả các trạm SS của nó trực tiếp khi SS nằm hoàn toàn trong vùng phủ sóng của một trạm gốc.Khoảng cách phủ sóng thực tế này thường là 5km đối với một thiết bị đầu cuối di động và 15km đối với một thiết bị trong nhà được nối với một anten ngoài trời hoặc được gắn trực tiếp trên thiết bị đầu cuối.
Mọi SS nằm ngoài vùng phủ sóng không thể liên lạc được với trạm gốc Do đó truyền thông PMP có những hạn chế nhất định về yêu cầu khoảng cách tới một trạm gốc Khi liên lạc được với trạm gốc thì kể từ đây PMP trong Wimax có cấu trúc tương tự như một mạng di động, nơi mỗi cell tower có thể tới phối hợp các tín hiệu đến và ra từ các máy di động Trong khi truyền quảng bá là truyền đơn hướng từ một BS tới tất cả các SS trong vùng phủ sóng của nó thì trong WiMAX truyền thông tin đơn hướng từ BS có thể được thực hiện bằng cách gửi mỗi thông điệp mà hướng trực tiếp tới một
SS cụ thể và được chỉ ra bởi một kết nối định danh (CID) Mặc dù tất cả các SS có thể nhận tất cả các thông điệp quảng bá nhưng mỗi SS sẽ chỉ nhận gói tin mà BS “dự định” gửi cho SS đó hoặc những gói tin mà dự định một cách rõ ràng cho một nhóm các SS nào đó.
Truyền thông PMP trong Wimax thông qua một khung truyền cơ bản nơi mà mỗi kênh truyền dẫn được tạo thành từ việc truyền các khung có thời gian định kỳ gọi là các khung MAC.
Hình 3.30 Cấu trúc khung MAC với TDD trong chế độ PMP
Hình 3.6 mô tả cấu trúc khung MAC cho lớp vật lý OFDM trong chế độ truyền song công TDD Chiều dài khung MAC là thay đổi và có độ dài từ 2,5 đến 20 ms. Trong mỗi khung MAC này sẽ được chia thành hai phần là khung con đường lên và khung con đường xuống riêng, ngăn cách bởi một khoảng thời gian truyền - nhận (TTG) và một khoảng cách nhận - truyền (RTG) Cụ thể TTG ở giữa đường xuống và đường lên và nó cho phép BS chuyển hoạt động từ truyền sang nhận Tương tự RTG ở giữa đường lên và đường xuống và nó cho phép BS chuyển hoạt động từ nhận sang truyền Cả TTG và RTG đều không vượt quá 10ms Việc định nghĩa ra khoảng thời gian truyền nhận và nhận truyền này để giúp các BS cũng như các SS có thêm thời gian xử lí khi truyền - nhận tín hiệu một cách liên tục, cũng như chống xung đột giữa hai quá trình này.
Thông thường khung đường xuống được chia thành nhiều đường xuống nhỏ hơn Như hình 3.6, khung con đường xuống bắt đầu với một mào đầu của tín hiệu
OFDM được sử dụng để đồng bộ khung MAC và nó được điều khiển bởi con trỏ khung mào đầu của tín hiệu OFDM Con trỏ khung mào đầu (FCH) được điều chế mã hóa nhị phân giai đoạn (BPSK) với tốc độ mã hóa 1/2 Trong khung con trỏ mào đầu sẽ chứa tất cả thông điệp quản lý quảng bá MAC.
Cụ thể trong đó bao gồm: mô tả kênh xuống (DCD), mô tả đường lên (UCD), downlink MAP (DL-MAP) và uplink MAP (UL-MAP) Cả DCD và UCD xác định các đặc tính kênh vật lý cho đường xuống và lên Còn DL-MAP và UL-MAP sẽ chứa tham số chỉ định khe thời gian nào được sử dụng trong quá trình truyền thông Trong thực tế đặc điểm của kênh truyền được đưa ra như là một tập các đường xuống có thể sử dụng, nơi chứa thông tin mô tả các thuộc tính kênh truyền dẫn để đưa ra việc điều khiển kênh truyền như điều chế và mã hóa cho các tín hiệu cần truyền Việc này rất cần thiết cho kĩ thuật điều chế thích nghi trong WiMAX Tiếp theo là các khung nhỏ downlink nơi dữ liệu được mang trên các burst vật lí được đánh số (1,2, ,m).
Trong khung nhỏ đường xuống, bắt đầu mỗi khung nhỏ đường xuống đều được bắt đầu bằng mào đầu để tăng cường sự đồng bộ và kênh dự toán Sau mào đầu, một số đơn vị dữ liệu MAC được đóng gói và bắt đầu cho đường xuống Mỗi PDU MAC bao gồm một tiêu đề MAC, PDU tải trọng và mã kiểm tra dư thừa theo ký tự (CRC). Các tiêu đề MAC có thể mang thông tin cho các yêu cầu lặp tự động hỗ trợ phát lại (ARQ), đóng gói hay phân mảnh Đóng gói là quá trình kết hợp nhiều MAC đơn vị dữ liệu MAC (SDUs) từ giao thức cao hơn vào một MAC PDU Mặt khác phân mảnh là quá trình phân chia một MAC thành các MAC có kích thước nhỏ hơn như trình bày ở chương 2 Kết thúc một khung nhỏ downlink là một khoảng thời gian Pad để phân biệt với các khung nhỏ downlink tiếp sau nó.
Khung con uplink bao gồm các khe thời gian ban đầu khác nhau, một dành khe cho yêu cầu băng rộng và một hoặc nhiều hơn cho việc thiết lập thao tác đường lên đầu Khe yêu cầu băng thông được sử dụng cho các SS để truyền thông điệp yêu cầu băng rộng của chúng, các yêu cầu này có thể là cấp thêm băng thông hay cấp mới băng thông.
Cụ thể như minh họa trong hình 3.7, BS duy trì một hàng đợi gói đường xuống hàng đợi của riêng nó và để giữ các SDU từ các lớp cao hơn Trong quá trình truy nhập vào hệ thống, mỗi SS “thương lượng” với BS về băng thông cần cung cấp để đáp ứng yêu cầu QoS của nó bằng việc lập lịch đường lên với các BS thông qua bộ lập lịch đường lên Đối với hướng truyền đường lên, hàng đợi gói tin được lưu giữ tại SS tương ứng Khi có SDU đang chờ đường lên tại hàng đợi, SS sẽ gửi một yêu cầu băng thông cho BS, yêu cầu này cũng được gửi thông qua những khe trong một đường lên.
BS cũng phát quảng bá tới tất cả các địa chỉ SS Tuy nhiên có thể gây ra xung đột và vì vậy yêu cầu lượng băng thông đồng thời để đáp ứng cho việc phát.
Hình 3.31 Hoạt động lớp MAC trong chế độ PMP
Căn cứ vào sự tính toán, hàng đợi cho đường lên sẽ được hình thành từ BS tương ứng như hình minh họa 3.7 Căn cứ vào độ dài của hàng đợi đường lên và yêu cầuQoS, đường lên lập trình cho BS khoảng thời gian khác nhau để chỉ định cho đường lên Trong hình 3.7, có hai quá trình lập lịch cho mỗi BS và có một quá trình lập lịch cho mỗi SS nhưng theo chuẩn IEEE 802.16 không xác định các thuật toán lập lịch thay vào đó là các tiêu chuẩn hỗ trợ cho bốn loại khác nhau của QoS:
Cấu trúc khung trong chế độ Mesh
Nếu như trong PMP thì truyền thông giữa các SS không thể thực hiện thì trongMesh mode đề cập đến truyền thông peer-to peer trong đó mỗi nút SS có thể giao tiếp trực tiếp với một nút khác mà không cần thông qua các BS bằng định tuyến multihop hoặc chuyển tiếp Một mạng lưới không dây hỗ trợ peer to peer như trong chế độ lướiMesh được đặc trưng bởi tính tự-tổ chức, tự-cấu hình, và tự-điều chỉnh để cho phép tích hợp linh hoạt, triển khai nhanh, bảo trì dễ dàng, chi phí thấp, khả năng mở rộng cao, và các dịch vụ đáng tin cậy, cũng như để tăng cường năng lực mạng, khả năng kết nối và đáp ứng lưu lượng cũng như tính đảm bảo chất lượng dịch vụ Trong chế độ này một SS có thể định tuyến chuyển tiếp cho một hay nhiều SS khác Ưu điểm trong chế độ này là việc mở rộng phạm vi phủ sóng, tăng khoảng cách kết nối Các SS muốn kết nối tới một BS có thể kết nối với nhiều SS thông qua nhiều bước nhảy Tuy nhiên hạn chế ở đây là các SS đều phải hỗ trợ tính đồng bộ Nghĩa là các SS đều có khả năng trở thành một nút chuyển tiếp Việc này có thể tăng tính tính phức tạp trong cấu tạo của các SS hay việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trở nên phức tạp khi một SS trung gian kết nối giữ BS với SS cần truyền tin gặp sự cố.
Có hai chế độ tiêu chuẩn hóa giao tiếp mesh mode, đó là WiMAX mesh và Wi-
Fi mesh Sự khác biệt cơ bản nhất giữa MAC của WiMAX và Wi-Fi nếu bỏ qua sự khác biệt về khoảng cách truyền dẫn đó là WiMAX mesh dựa trên đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, là một hệ thống mà có khe thời gian được lập trước hỗ trợ truyền dẫn cùng lúc đồng thời nhiều đầu cuối, trong khi Wi-Fi được dựa trên CSMA/CA, là một hệ thống truyền thông dựa trên phát hiện tranh chấp Trong WiMAX mesh, tất cả các dữ liệu truyền đi được thực hiện theo một lịch trình lập trước để tránh xung đột Việc hoạch định truyền tin đạt được với sự giúp đỡ của cơ chế bắt tay 3 bước, liên quan đến việc trao đổi thỏa thuận các yêu cầu về băng thông, cấp băng thông theo yêu cầu, và xác nhận cấp truyền tin giữa hai nút giao tiếp Cơ chế bắt tay 3 bước được mô tả chi tiết sau trong phần này Trong Wi-Fi mesh, mỗi node cố gắng dự trữ bằng phương thức phân phối các kênh để truyền và sẽ thực hiện backoff theo hàm e mũ nếu nó nhận biết các kênh bận Để tránh va chạm, Wi-Fi mesh sử dụng cơ chế bắt tay 2 bước liên quan đến việc trao đổi tín hiệu RTS và CTS giữa hai nút giao tiếp.
WiMAX mesh xác định một kênh riêng biệt trong miền thời gian dành cho các thông điệp điều khiển, trong khi Wi-Fi mesh thì không Bằng cách tách các kênh điều khiển từ các kênh dữ liệu, WiMAX mesh đảm bảo việc truyền dự kiến trong các kênh dữ liệu không bị ảnh hưởng giữa các kênh người dùng đầu cuối bởi dựa trên băng thông yêu cầu, băng thông được cấp, xác nhận cấp truyền tin, và thông điệp điều khiển khác trong kênh điều khiển Bởi vì có không có kênh dữ liệu riêng biệt, thông điệp điều khiển RTS và CTS trong Wi-Fi mesh có thể xung đột với truyền tải dữ liệu, dẫn đến suy giảm trong lưu lượng dịch vụ QoS.
Trong WiMAX mesh, mỗi tín hiệu bắt tay ba bước thành công có thể cho phép phân bổ đẳng thời nhiều khe thời gian trong các khung MAC kề nhau Tính năng này rất hữu ích trong việc truyền thông liên tục nhiều đầu cuối, đảm bảo được yêu cầu về tốc độ bít bằng việc điều chỉnh và phân bổ khe thời gian trong toàn bộ quá trình kết nối
WiMAX mesh là cấu trúc nhận dạng, nhưng Wi-Fi mesh thì không WiMAX mesh dùng tới 3 bước (three-hop) thông tin về hàng xóm của nó và các thuật toán lập kế lịch truyền dẫn, do đó làm cho nó tối ưu hơn chống lại sự hiện diện của các nút ẩn và hở Ngược lại, Wi-Fi mesh không có khái niệm về cấu trúc nhận dạng bởi vì nó chỉ có thông tin bước đơn (single hop).
3.3.2 Cấu trúc và hoạt động của khung MAC
WiMAX mesh chọn OFDM là lớp vật lý và TDMA với một cấu trúc khung định kỳ của MAC như minh họa trong Hình 3.9 Mỗi khung MAC bao gồm một khung con điều khiển và một khung con dữ liệu Chiều dài của khung con điều khiển được định nghĩa là ký hiệu MSH-CTRL-LEN × 7 kí hiệu OFDM, trong đó MSH-CTRL-LEN là một tham số 4-bit trong phần tử mạng thông tin mô tả (IE) Việc thay đổi giá trị 4 bít này sẽ quyết định tới chiều dài khung con điều khiển, phần còn lại của một khung MAC là khung con dữ liệu Mỗi khung con dữ liệu được chia thành 256 khe thời gian, mỗi khe thời gian là một đơn vị thời gian cơ bản cho tài nguyên được phân bổ để truyền thông Không giống như các chế độ PMP WiMAX, khung con dữ liệu trong mesh mode không phân chia thành đường xuống và đường lên.
Hình 3.33 Khung MAC trong chế độ Mesh
Mỗi khung con điều khiển được chia thành nhiều khe thời gian (lên đến 16 dựa theo giá trị của 4 bít MSH-CTRL-LEN) cho việc truyền bản tin báo hiệu sử dụng bộ điều chế bậc cao và các sơ đồ mã hóa Chiều dài của mỗi khe thời gian là 7 ký hiệu OFDM, một phần trong đó được sử dụng làm thời gian bảo vệ Có hai loại khung con điều khiển, đó là khung con điều khiển mạng và khung con điều khiển lập lịch Khung con điều khiển mạng được sử dụng để tạo ra và duy trì sự gắn kết giữa các nút khác nhau trong mạng Việc thiết lập khung con điều khiển được sử dụng để tạo điều kiện thuận lợi phân bổ khe thời gian cho việc truyền tải trong các khung con dữ liệu. Khung con điều khiển mạng xuất hiện ít thường xuyên hơn so với khung con điều khiển lập lịch Cụ thể cứ trong m khung MAC thì chỉ có một khung con điều khiển mạng tại m khung MAC đó, trong khi đó, đối với khung con điều khiển lập lịch, giá trị đó là bội số của 4 (giá trị nhỏ nhất là 0 và lớn nhất là 64).
Có hai loại khung con điều khiển: Khung con điều khiển mạng và khung con điều khiển lập lịch Chỉ có một khung con điều khiển mạng mỗi m khung con điều khiển lập lịch, trong đó m được cho bởi tham số Scheduling-Frame.
3.3.2.1 Cấu trúc khung con điều khiển mạng
Trong một khung con điều khiển mạng, khe thời gian đầu tiên là network entry (nhập mạng), các khe sau đó là 15 khe thời gian lưu giữ thông tin cấu hình mạng. Trong khe thời gian nhập mạng, một nút SS mới có thể được đồng bộ hóa và bắt đầu vào mạng Trong các khe thời gian cấu hình mạng, từng SS sẽ cung cấp những thông tin cơ bản của nó đến các nút lân cận.
Có tối đa 16 khe thời gian trong một
Network control subframe Khe thời gian đầu tiên là network entry (Truy nhập mạng) Các khe thời gian còn lại dành cho việc lưu giữ cấu hình mạng Thông qua các thuật toán bầu chọn, một SS quyết định khe thời gian để truyền gói tin tiếp theo của nó.
Có tối đa 16 khe thời gian trong một schedule control subframe Các khe thời gian cuối dành cho những cơ cấu lập lịch được phân bổ Khe thời gian còn lại trước lập lịch phân phối là lập lịch tập trung (centralized scheduling).
Hình 3.34 Cấu trúc khung MAC trong WiMAX mesh mode
Chức năng của khung con điều khiển mạng là mang hai loại bản tin cấu hình.Đầu tiên là tin nhắn MSH-NENT (Mesh Network Entry) cung cấp sự đồng bộ cho một nút mới truy nhập vào mạng Tin nhắn này thường được xuất hiện trong 7 symbol đầu của khung con điều khiển mạng Như vậy sẽ còn (MSH-CTRL-LEN-1) x 7 symbol còn lại mang tin nhắn cấu hình mạng MSH-NCFG (Mesh Network Configuration).
Hình 3.35 Cấu trúc2 bản tin cấu hình
Các tin nhắn cấu hình đều có phần mào đầu để nhận dạng các tin nhắn cấu hình Kết thúc là một hay nhiều khoảng bảo vệ để chống nhiễu Nội dung của các tin nhắn cấu hình được mang trong các MAC PDU.
3.3.2.2 Khung con điều khiển lập lịch
Trong một khung con điều khiển lập lịch, một vài khe thời gian đầu tiên sẽ dành cho là lập lịch tập trung (centralized scheduling); các khe thời gian còn lại dành cho các thông báo lập lịch phân phối (distributed scheduling) Khung con điều khiển lập lịch sẽ cung cấp ba loại bản tin: Mesh Centralized Schedule (MSH-CSCH), Mesh Centralized Schedule Configuration (MSH-CSCF) và Mesh Distributed Scheduling (MSH-DSCH) Nếu số khe thời gian dành cho MSH-DSCH là a thì số khe thời gian dành cho MSH-CSCH sẽ là MSH-CTRL-LEN – a.
Hình 3.36 Cấu trúc 3 bản tin điều khiển lập lịch
Trong IEEE 802.16 thì WiMAX mesh hỗ trợ cả hai mô hình lập lịch tập trung và phân phối Trong lập lịch tập trung (centralized scheduling), một lưới BS ở giữa như mô tả trong hình 3.7 thực hiện việc phân bổ khe thời gian Trong lập lịch phân phối (distributed scheduling), mỗi yêu cầu cặp thiết bị nhận và phân bổ khe thời gian cục bộ Dù là lập lịch nào thì cũng có 2 hoạt động chính là lập lịch bản tin điều khiển và lập lịch dữ liệu Có thể hiểu lập lịch tập trung là BS phân bổ lưu lượng truyền tải với các SS còn lập lịch phân phối là việc phân bổ lưu lượng truy nhập nội bộ giữa các nút.
Cấu trúc khung trong chế độ Multihop
3.4.1 Cấu hình chuyển tiếp Multihop Relay
Cấu trúc khung lớp MAC của PMP và Mesh không cùng tương thích với nhau. Như vậy, lợi ích của thông tin liên lạc multihop trong MESH không hề có sẵn cho PMP Hiểu một cách đơn giản, các SS chỉ hỗ trợ cấu hình hoạt động PMP và khi chuyển sang một mạng cấu hình Mesh sẽ không được hỗ trợ Xem xét vấn đề này, trong năm 2006, IEEE 802.16j Nhóm công tác đã bắt đầu soạn thảo một kỹ thuật cho chế độ hoạt động chuyển tiếp multihop ngược phù hợp với WiMAX PMP, như minh họa hình 3.8 Tính tương thích ngược có nghĩa là PMP WiMAX SS sẽ hoạt động bình thường trong mạng multihop chuyển tiếp Điều này thực hiện bằng cách thêm vào mạng WiMAX các trạm chuyển tiếp RS Tuy nhiên, một số sửa đổi trong PMP WiMAX BS phải được thực hiện để cho phép giao tiếp với RS và hỗ trợ lưu lượng truy cập từ nhiều RS Như vậy mạng chuyển tiếp Multihop có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn WiMAX mesh Không chỉ hỗ trợ các SS hoạt động ở PMP mà nó còn tăng đáng kể khoảng cách truyền dẫn so với các cấu hình Mesh bởi chức năng, tính năng của các RS là vượt trội hơn hẳn so với các SS ở việc kết nối và định tuyến chuyển tiếp Có thể coi các RS như một BS đơn giản được lược bớt đi các chức năng không cần thiết để giảm chi phí chế tạo. Để có được hiệu suất mạng tốt nhất có thể, đặc điểm và vị trí của RS phải được lựa chọn cẩn thận Có ba loại của RS: cố định, không cố định và di động RS cố định được đặt tại một địa điểm cố định Cụ thể là tại các khu vực đông dân cư rộng lớn, ít có sự xáo trộn về phân bố dân cư RS không cố định được thiết kế để hoạt động từ một vị trí cố định trong một thời gian so sánh một phiên của người dùng Cuối cùng, RS di động là các RS có thể được cài đặt di chuyển trên xe buýt, xe lửa, hoặc phà Trong một số trường hợp, một SS cũng có thể hoạt động như là một RS.
Hình 3.39 Cấu hình Multihop relay
Các chế độ chuyển tiếp multihop khác nhau đáng kể từ WiMAX mesh ý nghĩa rằng nó không hỗ trợ peer-to-peer truyền thông giữa hai SS Tương tự như WiMAXmesh, các chế độ multihop chuyển tiếp dự kiến sẽ mang đến việc mở rộng phạm vi và nâng cao năng lực PMP WiMAX Tính đến cuối năm 2007, các đặc điểm kỹ thuật vẫn đang được phát triển Do đó, các chi tiết được trình bày trong chương này cho đến nay, có thể khác với đặc điểm kỹ thuật cuối cùng.
3.4.2 Cấu trúc khung MAC và hoạt động.
Một thách thức chính trong việc thiết kế cấu trúc khung MAC cho chế độ chuyển tiếp multihop là làm cho nó tương thích với PMP WiMAX Trong mạng chuyển tiếp multihop định nghĩa rõ hai liên kết truy nhập và liên kết chuyển tiếp
Một liên kết truy nhập được định nghĩa là một liên kết vô tuyến bắt nguồn hay kết thúc ở một SS
Một liên kết chuyển tiếp được định nghĩa là một liên kết vô tuyến giữa BS và một RS hay giữa hai RS liền kề
Tất cả các liên kết truy cập và liên kết chuyển tiếp trên một con đường riêng biệt, vì vậy liên kết có thể hoạt động đồng thời, và do đó khung PMP WiMAX có cấu trúc minh họa trong hình 3.6 có thể được sử dụng Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp trong thực tế bởi BS và RS có thể ở trong phạm vi vô tuyến của nhau Do đó, một cấu trúc khung MAC mới cần được thiết kế cho hoạt động chuyển tiếp multihop.
Hình 3.40 Cấu trúc khung MAC chuyển tiếp Multihop trong chế độ Transparent
Trong thiết kế, có hai loại hoạt động chuyển tiếp multihop được xem xét là: chế độ transparent và chế độ nontransparent Chế độ transparent được sử dụng trong trường hợp truyền dẫn tối đa 2 bước nhảy (2 hop) Còn nontransparent được sử dụng khi truyền dẫn lớn hơn 2 hop Trong chế độ transparent, RS không truyền tải một đường xuống với phần mở đầu khung bắt đầu FCH, DL-MAP, UL-MAP, DCD vàUCD Mặt khác, một RS nontransparent có thể truyền tải một đường xuống bắt đầu phần mở đầu, khung FCH, DL-MAP, UL-MAP, DCD và UCD Từ lúc RS transparent không truyền tải các thông điệp điều khiển, tất cả các nút phải ở trong phạm vi vô tuyến của BS, mặc dù dữ liệu được truyền đi có thể đi qua nhiều bước nhảy.
Hình 3.16 cho thấy một ví dụ về cấu trúc khung MAC chuyển tiếp multihop trong chế độ transparent với một lớp vật lí sử dụng OFDMA So với WiMAX PMP (Hình 3.5) và WiMAX lưới (Hình 3.8), trong đó chỉ có một cấu trúc khung MAC cho tất cả các nút trong các hệ thống, chế độ chuyển tiếp multihop định nghĩa cấu trúc khung MAC khác nhau cho các BS và RS: khung MAC MR-BS và khung MAC RS. Khung MR-BS (RS) là khung có cấu trúc MAC sử dụng cho truyền dẫn đường xuống và đường lên tiếp nhận bằng BS (RS).
Trong cả hai khung MR-BS và RS MAC ở chế độ transparent, khung MAC được chia thành khung con đường lên và khung con đường xuống Mỗi khung con đường xuống và đường lên lại được chia thành các khung nhỏ hơn (gọi là các vùng).
Có ba loại vùng: truy cập, relay, và transparent Cụ thể khung con đường xuống gồm hai vùng: truy nhập đường xuống và vùng transperent, khung con đường lên gồm hai: vùng truy nhập đường lên và vùng chuyển tiếp đường lên.
Khu vực truy cập là một phần của khung con đường lên hay đường xuống, trong đó BS hoặc RS truyền tới một SS hoặc nhận từ SS Khu vực chuyển tiếp là một phần của khung con đường lên trong đó các BS hoặc RS truyền tới hoặc nhận từ khác
RS Vì vậy, một khu vực chuyển tiếp có thể được sử dụng cho cả truyền, nhận, nhưng
BS và bất kỳ RS sẽ không được yêu cầu truyền và nhận trong một khu vực chuyển tiếp Khu vực transparent là cho một RS để truyền RS cấp dưới của nó cho rằng BS có thể truyền tải đồng thời với RS trong khu vực transparent Nó không phải là cần thiết để có tất cả ba loại khu vực trong một khung MAC duy nhất hoặc khung phụ.
Trong khung MR-BS transparent, khung con downlink bao gồm ít nhất một khu vực truy cập đường xuống và có thể bao gồm một khu vực transparent. Khung con uplink có thể bao gồm một khu vực truy cập đường lên và khu vực chuyển tiếp đường lên.
Trong transparent RS, khung con downlink bao gồm một vùng truy cập choBS-to-RS và truyền SS, và có thể bao gồm một khu vực transparent Khung phụ khu vực chuyển tiếp đường lên có thể bao gồm một vùng truy cập và vùng chuyển tiếp RS minh họa trong hình 3.9, nếu RS chuyển từ truyền để tiếp nhận chế độ, R-TTG ( TTG) phải được chèn vào Mặt khác, nếu RS thiết bị chuyển mạch từ tiếp nhận sang chế độ truyền dẫn, R-RTG ( RTG) phải được chèn vào
Hình 3.41 Chức năng cụ thể các vùng trong khung MAC
Các hoạt động trong transparent mô tả ở trên chủ yếu là hai hop-chuyển tiếp để nâng cao năng lực liên kết Hoạt động Nontransparent cần thiết khi có nhiều hơn hai bước nhảy Có hai cách hỗ trợ chuyển tiếp multihop trong chế độ Nontransparent. Phương pháp đầu tiên là nhóm nhiều khung trong một miền thời gian thành một cấu trúc đa khung lặp lại với phân bổ định kỳ các khu vực Phương pháp thứ hai là tạo ra nhiều khu vực trong một khung duy nhất Với một trong hai phương pháp, các BS và
RS sau đó được chỉ định để chuyển giao, tiếp nhận, hoặc nhàn rỗi trong mỗi khu Hình3.18 cho thấy một ví dụ về cấu trúc Nontransparent multihop bằng cách sử dụng phương pháp thứ hai.
Hình 3.42 Cấu trúc khung MAC trong chế độ Nontransparent
Trong hình 3.18, khung MAC MR-BS có ít nhất một khu vực truy cập đường xuống và có thể bao gồm một hoặc nhiều khu chuyển tiếp đường xuống Khi có nhiều đường xuống khu vực chuyển tiếp, chỉ có khu vực đầu tiên được yêu cầu để bao gồm R-FCH (chuyển tiếp FCH) và R-MAP (MAP chuyển tiếp) Như minh họa trong hình 3.18, việc phân bổ subchannel trong một khu vực chuyển tiếp đường xuống có thể được chính xác giống như trong khu vực truy cập trước Trong cấu trúc khung MAC
Kết luận chương
Trong chương này, ba chế độ hoạt động của WiMAX cùng cấu trúc khung MAC với từng chế độ đã được trình bày Sự tham đa dạng trong các nút truyền dẫn trung gian (có thể là SS hay RS) đã dẫn tới các cấu trúc khung MAC đa dạng khác nhau trong từng chế độ Mặc dù cả hai chế độ lưới và chế độ chuyển tiếp multihop, hỗ trợ thông tin liên lạc multihop, nhưng chỉ chế độ chuyển tiếp multihop tương thích với chế độ PMP Vì vậy, khung MAC trong chế độ chuyển tiếp multihop hiện đang tiếp tục được tiêu chuẩn hóa bởi IEEE 802.16j.
WiMAX hoạt động mềm dẻo với các chế độ khác nhau như cấu hình điểm – đa điểm, cấu hình lưới và cấu hình chuyển tiếp, hỗ trợ đa dạng các loại hình dịch vụ đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng Gần đây nhất WiMAX 2 chính thức được ra đời hứa hẹn sự phát triển vượt bậc về công nghệ cũng như tốc độ truyền dẫn.
Sau một thời gian nghiên cứu em đã có cái nhìn tổng quát hơn về công nghệ WiMAX đặc biệt là mô hình phân lớp lớp MAC cùng cấu trúc khung MAC và các chức năng hoạt động của WiMAX trong ba chế độ hoạt động cơ bản Mặc dù cơ chế hoạt động và cấu trúc khung MAC trong chế độ chuyển tiếp vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và thử nghiệm nên cấu trúc khung MAC cùng các đặc điểm được trình bày trong đồ án có thể khác so với các đặc điểm kĩ thuật cuối cùng tuy nhiên nó giúp em hiểu thêm về cấu trúc khung MAC trong chế độ hoạt động chuyển tiếp định hướng sẽ thay thế cho chế độ điểm-đa điểm phổ biến hiện nay.
Do WiMAX sử dụng cả hai kĩ thuật song công TDD và FDD Với thời gian nghiên cứu có hạn cùng với kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế nên trong đồ án mới chỉ đưa ra cấu trúc khung trong TDD Nên hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài sẽ là tìm hiểu cấu trúc và hoạt động của WiMAX trong chế độ FDD
Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô, các bạn sinh viên để em hoàn thiện hơn nữa kiến thức cho bản thân, phục vụ quá trình học tập, nghiên cứu sau này Một lần nữa em xin cảm ơn tất cả các thầy, cô giáo và các bạn đã quan tâm giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!