Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX

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. Đồ án “Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX” của sinh viên Nguyễn Huy Quang lớp D08VT tập trung tìm hiểu các trường trong cấu trúc khung MAC tại ba chế độ hoạt động khác nhau của WiMAX. Nội dung của đồ án được trình bày mạch lạc theo kết cấu sau: Tổng quan về WiMAX Mô hình phân lớp của WiMAX Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX

MỤC LỤC

Mục lục I Danh mục hình vẽ IV Danh mục bảng VI Thuật ngữ viết tắt VII

Lời mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan về WiMAX 3

1.1 Giới thiệu về WiMAX 3

1.2 Các chuẩn WiMAX 5

1.3Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 5

2.Các chuẩn bổ sung của WiMAX 7

2.1 Phân loại 10

2.2 Đặc điểm chung của WiMAX 11

2.3 Hệ thống WiMAX 12

2.4Mô hình hệ thống 12

3.Cấu hình mạng 16

3.2 Một số kĩ thuật sử dụng trong WiMAX 18

3.3Kĩ thuật OFDM 18

4.Chuỗi bảo vệ 20

5.Kĩ thuật song công 22

6.Kĩ thuật OFDMA 23

7.Điều khiển công suất 24

8.Điều chế thích nghi 25

8.1 Ưu nhược điểm của WiMAX 26

8.2Ưu điểm 26

9.Nhược điểm 28

9.1 Các ứng dụng của WiMAX 29

9.2 Kết luận chương 30

Mô hình phân lớp của WiMAX 33

10.1 Mô hình phân lớp 33

10.2 Lớp MAC 34

11.Lớp con hội tụ (MAC CS) 35

12.Lớp con phần chung MAC (MAC CPS) 36

13.Lớp con bảo mật (MAC PS) 42

14.MAC PDU 45

14.2 Lớp vật lí 53

14.3 Kết luận chương 54

Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX 55

15.1 Cấu trúc khung TDD 55

15.2Cấu trúc OFDM symbol 55

16.Cấu trúc khung TDD 56

16.1 Cấu hình trúc khung trong chế độ PMP 59

16.2Chế độ PMP 59

17.Cấu trúc khung MAC 60

17.1 Cấu trúc khung trong chế độ Mesh 64

17.2Cấu hình lưới Mesh 64

18.Cấu trúc và hoạt động của khung MAC 66

18.2 Cấu trúc khung trong chế độ Multihop 73

18.3Cấu hình chuyển tiếp Multihop Relay 73

18.5 Kết luận chương 79 Kết luận chung 80 Tài liệu tham khảo 81

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự phát triển của lớp vật lý IEEE 802.16 7

Hình 1.2 Mô hình hệ thống WiMAX 13

Hình 1.3 Kết nối tới một trạm gốc 14

Hình 1.4 Kết nối tới thiết bị thu 15

Hình 1.5 Cấu hình điểm-đa điểm 17

Hình 1.6 Cấu hình lưới 17

Hình 1.7 Cấu hình chuyển tiếp multihop 18

Hình 1.8 Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 19

Hình 1.9 So sánh giữa FDM và OFDM 20

Hình 1.10 Chuỗi bảo vệ 21

Hình 1.11 ISI và cyclic prefix 22

Hình 1.12 TDD và FDD 23

Hình 1.13 Sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA 24

Hình 1.14 Các phương pháp điều chế trong WiMAX IEEE 802.16 26

Hình 2.15 Mô hình phân lớp WiMAX 34

Hình 2.16 Luồng dữ liệu qua mỗi lớp 35

Hình 2.17 Quy trình bảo mật trong WiMAX 43

Hình 2.18 Định dạng MAC PDU 45

Hình 2.19 Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung 46

Hình 2.20 Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông 47

Hình 2.21 Ghép nối các MAC PDU 49

Hình 2.22 Phân đoạn thành các MAC PDU 50

Hình 2.23 Đóng gói các SDU kích thước cố định 52

Hình 2.24 Đóng gói các SDU kích thước thay đổi 52

Hình 3.25 Cấu trúc symbol OFDM trong miền thời gian 55

Hình 3.26 Cấu trúc symbol OFDM trog miền tần số 56

Hình 3.27 Miêu tả OFDM symbol trong miền tần số và thời gian 56

Hình 3.28 Cấu trúc khung TDD 58

Hình 3.29 Chế độ PMP 60

Hình 3.30 Cấu trúc khung MAC với TDD trong chế độ PMP 61

Hình 3.31 Hoạt động lớp MAC trong chế độ PMP 63

Hình 3.32 Chế độ Mesh 65

Hình 3.33 Khung MAC trong chế độ Mesh 67

Hình 3.34 Cấu trúc khung MAC trong WiMAX mesh mode 68

Hình 3.35 Cấu trúc2 bản tin cấu hình 69

Hình 3.36 Cấu trúc 3 bản tin điều khiển lập lịch 69

Hình 3.37 Lập lịch tập trung 70

Hình 3.38.Thuật toán bầu chọn lưới để truyền trong khe thời gian hiện tại 71

Hình 3.39 Cấu hình Multihop relay 74

Hình 3.40 Cấu trúc khung MAC chuyển tiếp Multihop trong chế độ Transparent 75

Hình 3.41 Chức năng cụ thể các vùng trong khung MAC 77

Hình 3.42 Cấu trúc khung MAC trong chế độ Nontransparent 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Công nghệ WiMAX di động và các công nghệ cạnh tranh 4

Bảng 1.2 So sánh chuẩn 802.16, 16a, 16e 9

Bảng 1.3 Ứng dụng của WiMAX 29

Bảng 2.4 Các trường tiêu đề MAC chung 46

Bảng 2.5 Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông 47

Bảng 2.6 So sánh các giao diện vật lí 53

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hóa tiên tiến

ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu tự động phát lại

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải đồng bộ

BSC Base Station Control Điều khiển trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát di động

BWA Broadband Wireless Access Truy cập vô tuyến băng rộngCDMA Wideband Code Division

Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãCID Connection Identifier Định danh kết nối

CPE Customer Premises Equipment Thiết bị đầu cuối người dùngCRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra lỗi vòng dư

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detect

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang

có phát hiện xung đột

DCD Downlink Channel Description Mô tả kênh đường xuống

DES Data Encryption Standard Chuẩn mã hóa dữ liệu

DHCP Dynamic Host Configuration

DSL Digital Subscriber Line Đường thuê bao số

DSLAM Digital Subscriber Line Access

Multiplexer Ghép truy nhập đường thuê bao sốETSI European Therapy Studies

Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu

FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung

FDD Frequency Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo tần sốFFT Fast Fourier Transformer Biến đổi Fourier nhanh

GPC Grant per Connnection Cấp phát trên mỗi kết nối

GPSS Grant per SubScrible Cấp phát trên mỗi trạm thuê baoHTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bảnIEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers Viện các kỹ sư Điện và Điện tửISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên kí hiệu

MAC Mandatory Access Control Điều khiển truy nhập bắt buộcMBWA Mobile Broadband Wireless

Access

Truy cập không dây di động băng rộng

NMS Network Management Symtem Hệ thống quản lí mạng

OFDM Orthogonal Frequency Division

PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức

PHS Payload Header Suppression Nén tiêu đề tải trọng

PKM Privacy and Key Management

Protocol Giao thức quản lí khóa và bảo mật

RSA Ron Rivest, Adi Shamir và Len

SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ

SFID Service Flow Identifier định danh luồng dịch vụ

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiplexing Access

Đa truy nhập phân chia theo tần sốtrực giao mở rộng

TDD Time Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gianTDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia thời gian

TEK Traffic Encryption Key Khóa mã hóa lưu lượng

TFTP Trivial File Transfer Protocol Giao thức truyền tải file tầm

thườngTTG Transmit Transition Gap Khoảng thời gian truyền - nhậnUCD Uplink Channel Description Mô tả kênh đường lên

UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp phát tự nguyện

UMTS Universal Mobile

Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

VoIP Voice over Internet Protocol Giao thức thoại qua Internet

WiMAX Worldwide Interoperability of

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM

(Của giáo viên hướng dẫn)

Những năm gần đây, mạng vô tuyến phát triển bùng nổ nhằm phục vụ những nhucầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng Nằm trong xu thế đó mạng WiMAX

ra đời nhằm mục đích cung cấp dịch vụ đa dạng không dây tốc độ cao cho người sử dụngmọi lúc mọi nơi

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 Đồ án “Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX” của sinh viên Nguyễn Huy Quang lớp D08VT tập

trung tìm hiểu các trường trong cấu trúc khung MAC tại ba chế độ hoạt động khác nhaucủa WiMAX

Nội dung của đồ án được trình bày mạch lạc theo kết cấu sau:

• Tổng quan về WiMAX

• Mô hình phân lớp của WiMAX

• Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX

Trong quá trình thực hiền đồ án, sinh viên Nguyễn Huy Quang đã thể hiện tínhđộc lập, chủ động nghiên cứu hoàn thành đồ án cũng như tích cực trao đổi với giáo viênhướng dẫn về những nội dung còn vướng mắc

Dựa vào nội dung hoàn thành của đồ án và thái độ thực nghiêm túc làm đồ án củasinh viên đề nghị hội đồng chấm đồ án thông qua

Điểm: …… (Bằng chữ: ………….) Ngày 10 tháng 12 năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

ThS Lê Tùng Hoa

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM

(Của Người phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: …… (Bằng chữ: ………….) Ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ- GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

(ký, họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ viễn thông ngày nay đang có sự phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là cáccông nghệ không dây băng rộng tốc độ cao WiMAX - chuẩn mạng không dây diệnrộng (WMAN) hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho các dịch vụ dữ liệu không dâytrong phạm vi rộng và thúc đẩy xu hướng hội tụ các dịch vụ thoại di động và cố địnhtruyền thống với các dịch vụ dữ liệu di động hay cố định băng thông rộng WiMAXvới những công nghệ đặc tính vượt trội là một giải pháp tích cực có thể giải quyết cácvấn đề đa truy nhập về mặt chi phí lắp đặt, khoảng cách phủ sóng, tốc độ đườngtruyền, đồng thời thu hút được sự tham gia hợp tác của các tập đoàn điện tử lớn trongviệc sản xuất thúc đẩy sự hoàn thiện của công nghệ mới này

WiMAX không chỉ đa dạng về dịch vụ hỗ trợ mà còn hỗ trợ nhiều cấu hìnhhoạt động khác nhau Nếu như chế độ điểm-đa điểm bị giới hạn về khoảng cáchtruyền dẫn thì chế độ lưới của WiMAX được đưa ra nhằm hỗ trợ các đầu cuối di độngkhông nhất thiết phải nằm trong vùng phủ sóng của trạm gốc Trong chế độ lưới cácđầu cuối di động tham gia vào quá trình “kết nối trung gian” dẫn đến việc cấu trúckhung MAC cần có sự thay đổi giữa các chế độ hoạt động Tuy nhiên lại đặt ra vấn đề

về tính tương thích giữa các đầu cuối di động khi hoạt động chuyển giao giữa các chế

độ khác nhau Chế độ chuyển tiếp ra đời nhằm nâng cao hiệu quả của chế độ điểm-đađiểm bằng việc thêm vào hệ thống các trạm chuyển tiếp Trên quan điểm đó, đề tài tốt

nghiệp của em với tiêu đề: “Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX” được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu tổng quan về WiMAX, đồng thời

sẽ tìm hiểu mô hình phân lớp cũng như cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạtđộng của WiMAX

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của cô giáo ThS Lê Tùng Hoa, dựa

trên kiến thức và tài liệu tham khảo, phần nội dung của đồ án được chia thành 3chương chính:

 Chương 1: Tổng quan về WiMAX

Giới thiệu tổng về công nghệ WiMAX, các chuẩn và đặc điểm trong công nghệ này, cùng với một số kĩ thuật được sử dụng trong WiMAX.

 Chương 2: Mô hình phân lớp của WiMAX

Chương này trình bày cụ thể về mô hình phân lớp WiMAX, cấu trúc và chức năng của từng lớp cụ thể Cùng với đó là cấu trúc khung luồng dữ liệu qua mỗi lớp, các quá trình phát triển giao diện vật lí của WiMAX.

 Chương 3: Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX

Trình bày cấu trúc khung TDD tổng quát, nói rõ hơn về ba chế độ hoạt động điểm – đa điểm, lưới và chuyển tiếp multihop, cơ chế hỗ trợ trong từng cấu hình và cấu trúc khung TDD trong từng chế độ hoạt động.

Cuối cùng, em xin cảm ơn các thầy trong bộ môn viễn thông đã tạo điều kiệnthuận lợi về mọi mặt để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình Em xin

gửi lời cảm ơn chân thành đến cô giáo Th.S Lê Tùng Hoa đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ

bảo, góp ý và hỗ trợ em trong thời gian qua

Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Huy Quang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WIMAX

Chương 1 giới thiệu chung nhất về công nghệ, hệ thống WiMAX, các chuẩn vàđặc điểm trong công nghệ này Cùng với đó là các kĩ thuật phổ biến được sử dụngtrong WiMAX và các ưu nhược điểm cũng như các mô hình ứng dụng hiện nay

1.1 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 bằngnhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm - điểm cho tới kiểu truy nhập tế bào vớitốc độ khá lớn, được nghiên cứu và phát triển dựa trên các tiêu chuẩn của IEEE802.16, còn được gọi là WirelessMan tức mạng không dây đô thị WiMAX cho phépngười dùng có thể duyệt Internet trên máy laptop mà không cần kết nối vật lý bằngcổng 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 giữacác 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 vàDSL.” 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 vàchứng nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủchuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI (Viện tiêu chuẩn viễnthông châu Âu) Diễn đàn WiMAX được thành lập để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việcchấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng BWA (Broadband WirelessAccess), vì riêng một chuẩn thì không đủ để khuyến khích việc chấp nhận rộng rãimột 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 cácyêu cầu của khách hàng và của các chính phủ

Hiện nay mạng băng rộng đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển rấtnhanh 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 cáccông 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 kênhDownlin

di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của các thiết bị được nâng cấp, họ có thể trở lại hệthống hiện có chưa được nâng câp trong một môi trường di động đầy đủ Điều này cólợi 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 toàncầu) 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 cảđường xuống và đường lên trên một kênh băng thông 5 MHz Hơn nữa UMTS sẽchuyển 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, EVDOhiện đã được đề xuất sử dụng FD-CDMA là giao diện vô tuyến để cung cấp tốc độ dữliệu 3.1 và 1.8 Mbps tương ứng cho đường xuống và đường lên trên một kênh băngthông 5 MHz Tương tự như UMTS, CDMA2000 cũng sẽ chuyển lên 4G Con đườnglên 4G của CDMA2000 cũng sẽ theo 3GPP2 siêu di động băng rộng, có thể sử dụngOFDMA như giao diện vô tuyến để cung cấp tốc độ dữ liệu 275 và 75 Mbps chođường 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 làmột đối thủ đối với Wimax hiện nay MBWA cũng tương tự như Wimax nhằm mụcđích cung cấp kết nối không dây tốc độ cao tới người dùng di động ở tốc độ di độngcao (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 làmột phần của Wimax trong tương lai

1.2 Các chuẩn WiMAX

1.3 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001

Mục tiêu của tổ chức IEEE khi phát triển tiêu chuẩn 802.16 là xây dựng mộtchuẩn chung để dễ dàng cho sự phát triển và phối hợp giữa các nhà sản xuất, nhà cungcấp và cả người sử dụng, bên cạnh đó cũng thúc đẩy quá trình chứng nhận phối hợphoạt 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 đượccông bố vào ngày 8 tháng 4 năm 2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện vô tuyếnWirelessMAN cho các mạng vùng đô thị Hỗ trợ truy nhập không dây băng rộng nhưmột 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 sẽđược hình thành dựa trên các trạm cơ sở trung tâm (BS) phủ sóng rộng khắp Do hệthống 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 đượcrất nhiều chi phí trong việc triển khai

Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập các giao diện vô tuyếndựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các đặc tả lớp vật lý phụ thuộcvào 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 đónhững bước sóng ngắn được xem như những thách thức trong việc triển khai do khảnăng bức xạ qua vật cản kém, nhất là ở nhưng nơi có nhiều tòa nhà cao tầng như thànhphố 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 bởinhóm 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 mangOFDM Lớp vật lý HIPERMAN là một phương thức bắt buộc trong tiêu chuẩn IEEE802.16 và có thêm định nghĩa hai lớp vật lý khác, sóng mang đơn (SC) và 2048 sóngmang OFDMA ETSI HIPERMAN đã được hài hòa hóa và bắt đầu trở thành một tậphợp con của tiêu chuẩn IEEE 802.16 Vì vậy các sản phẩm phù hợp với ETSIHIPERMAN cũng phù hợp với WiMAX

Hình 1.1 minh họa sự phát triển của lớp vật lý IEEE 802.16 Tiêu chuẩn IEEE802.16 đầu tiên được hoàn thành vào tháng 12 năm 2001 Chuẩn này chỉ định nghĩachế 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 thểcung cấp tốc độ lên tới 134 Mbps nhưng không thể hoạt động trong tầm nhìn bị chekhuất (NLOS), do sử dụng sóng mang tần số cao Trong một phiên bản tiếp theo IEEE802.16a 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 trợtốc 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 vàgiao 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 sóngmang OFDMA Trong khi IEEE 802.16d dùng cho mạng cố định, những sửa đổi củaIEEE 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 hiệuquả quang phổ.

Hình 1.1 Sự phát triển của lớp vật lý IEEE 802.16

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 rađời

• Chuẩn 802.16a

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 khôngcấp phép, với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nốiđiểm -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 điềukiện tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như câycối, 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 chiphí 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 802.16b

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 đượckết hợp vào chuẩn 802.16a

• Chuẩn 802.16c

Chuẩn này được định nghĩa thêm các nội dung mới cho dải băng tần từ 66GHz với mục đích cải tiến ứng dụng

10-• Chuẩn 802.16d

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 gọivới tên 802.16-REVd Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn802.16-2001, 802.16a, 802.16c Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập cácđặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như làmột 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 trườngkhác nhau (LOS và NLOS)

• Chuẩn 802.16e

Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE đưa ra vào tháng 11 năm 2005 Đây làphiên bản phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêmcho 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 đasóng 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 ứngdụng 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 khảnăng bao phủ tới 15 km Một đặc điểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trongmôi trường di động với tốc độ lý thuyết có thể lên tới đến 120 km/h.

• Chuẩn 802.16m

Hiện nay Viện Kĩ thuật Điện và Điện tử (IEEE) đã phê duyệt 802.16m - chuẩn chothế hệ tiếp theo của WiMAX vào năm 2011 IEEE 802.16m, còn được gọi làWirelessMAN-Advanced hoặc WiMax-2, được phát triển tiếp sau 802.16e - chuẩntoàn cầu đầu tiên cho WiMax di động Chuẩn này hướng tới tăng tốc độ truyền củaWiMAX 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

• 802.16k-2007 - Bridging 802.16

• 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 lượngcũng như chất lượng của hệ thống

Bảng 1.2 So sánh chuẩn 802.16, 16a, 16e

Tốc độ bít 32-134 Mbps 70 Mbps ở kênh 15 Mbps ở kênh

ở kênh 28MHz 20 MHz 5 MHz

Điều chế

QPSK,16QAM,64AQM

256 sóng mangcon OFDM,QPSK, 16QAM,64QAM

128-2048 sóng

OFDMA,QPSK, 16QAM,64QAM

tế bào ở tốc độ băng rộng thực sự Cụ thể:

• Wimax di động

Hoạt động ở tần số thấp, trong dải tần từ 2 GHz đến 11 GHz Trong chế độ này, dữliệu được truyền từ trạm Wimax đến thiết bị thu di động Do hoạt động ở tần số thấpnên phạm vi phủ sóng của một trạm Wimax nhỏ, khoảng 6 - 7 km Để có phạm vi phủsóng rộng hơn người ta cần phải lắp một số lượng lớn các trạm Wimax WiMAX diđộng 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 trườngtruyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linhhoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủsóng với các loại địa hình đa dạng.

• Wimax cố định

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 vớitrạm Wimax Trong WiMAX cố định này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chiatheo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạtđộng trong môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight)

2.2 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 dữliệu 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 vớimột 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 MHztrong 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 đườngtruyền LOS hoặc NLOS Đối với trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cốđịnh 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 sửdụng băng tần thấp hơn, 2 – 11 GHz tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vậtchắn 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 chuẩnhoá

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 diđộng dùng băng tầng từ 2-11 GHz Ở nhiều nước châu Âu, băng tầng 3.5 GHz đượcdành 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, chophép nhiều thuê bao có thể truy nhập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linhhoạt 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 hơnđường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM Còn TDD thì đường lên đườngxuống sử dụng cùng một tần số nhưng khác khe thời gian

2.3 Hệ thống WiMAX

2.4 Mô hình hệ thống

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 địnhhay di động) Các trạm gốc (BS) hay còn có thêm các trạm chuyển tiếp (RS) Các SSnằm trong vùng phủ của BS đều được cung cấp các dịch vụ mạng Việc kết nối giữacác trạm gốc hay trạm phân phối với nhà cung cấp dịch vụ hay giữa các trạm gốc vớinhau sẽ được thông qua các đường backhauk Thường thì các đường backhaul có dunglượng lớn nên được truyền trên tầm nhìn thẳng LOS để giảm thiểu mất mát tín hiệu vànhiễu 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:

• Trạm gốc WiMAX (BS)

Một BS bao gồm hai phần: Phần điện tử bên trong và tháp WiMAX Bán kínhphủ sóng của một tháp WiMAX theo lý thuyết khoảng 50km nhưng thực nghiệm chỉgiới hạn trong khoảng 10km Bất kì một node truy nhập không dây nào nắm trong bánkính 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 phòngmáy đến một thiết bị đặt trong nhà gọi là WiMAX Access Point Indoor Unit Thiết bịnày có chức năng biến đổi tính hiệu sóng điện từ thành tín hiệu điện và xử lý tín hiệunày để kết nối vào hệ thống Hệ thống WiMAX kết nối vào internet thông quaDSLAM như mọi thuê bao ADSL bình thường Cùng kết nối tới hệ thống này có mộtNMS Server (Network Management Symtem Server) là một máy chủ chạy phần mềmBreezel 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 làMedia Gateway Đây là thiết bị để kết nối hệ thống VoIP với hệ thống PSTN, haiđường dây điện thoại sẽ được gắn với thiết bị này Các thiết bị WiMAX trong nhàIndoor Unit, NMS server, Media Gateway đều được gán địa chỉ Global IP để có thểquản lý từ xa

• Thiết bị thu

Thiết bị thu và anten có thể đứng độc lập hoặc tích hợp trong PC card Việctruy 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 tínhiệu Từ anten tín hiệu được truyền vào trong nhà đến một thiết bị gọi là IDU Thiết bịIDU 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 nhiềucổng để có thể cung cấp kết nối internet cho nhiều máy Mỗi người dùng đầu cuối sẽđược 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 đóngvai trò truyền dẫn Về bản chất VoIP độc lập với phương thức truyền dẫn, dù đó là códây hay không dây Hệ thống VoIP gồm 3 thành phần cơ bản sau đây: SIP server, IPSIP phone và voice Gateway SIP server có vai trò quản lý và định tuyến cuộc gọi, nógiống 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 kếtbackhaul 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 nhưchuyển vùng của mạng điện thoại tế bào.

Ngoài kiểu backhaul như trên, trong WiMAX còn có một vài kiểu kiến trúcbackhaul cho BS khác : kiến trúc backhaul không dây, kết nối điểm- điểm viba hoặckết nối backhaul WiMAX Backhaul WiMAX là kiểu backhaul mà tự bản thân BSlàm backhaul BS sử dụng một phần băng tần vốn dùng để truyền tải lưu lượng củangười dùng cho truyền tải backhaul

3 Cấu hình mạng

Có hai cấu hình mạng cơ bản trong Wimax: cấu hình điểm - đa điểm (PMP) vàcấu hình lưới (mesh) Cấu hình chuyển tiếp hiện vẫn đang được nghiên cứu và pháttriển Cấu hình PMP hỗ trợ các đầu cuối như một mạng di động tế bào cơ bản, yêu cầucác đầu cuối phải nằm hoàn toàn trong vùng phủ trạm gốc, thường sử dụng đối với cácđầu cuối có chức năng cơ bản Cấu hình Mesh có tính năng mở rộng phạm vi phủsóng, yêu cầu các đầu cuối phải có tính năng phức tạp hơn Cấu hình chuyển tiếp hỗtrợ sự mở rộng về khoảng cách phủ sóng cho cấu hình PMP

3.1.1.1 Cấu hình điểm-đa điểm

Trong PMP các trạm thuê bao SS (Subscriber Station) chỉ có kết nối và truyềnthông tin với duy nhất một trạm gốc (Base Station) (trong 802.16e SS có thể kết nốivới nhiều hơn một BS thông qua chế độ chuyển giao)

Hình 1.5 Cấu hình điểm-đa điểm

3.1.1.2 Cấu hình lưới

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 củamạng mesh và điều khiển một hoặc nhiều thuê bao SS Các SS ngoài việc kết nối vớicác BS còn có thể truyền thông trực tiếp với nhau hoặc định tuyến nhiều bước thôngqua các SS

Hình 1.6 Cấu hình lưới

Trong hoạt động mới này, một mạng chuyển tiếp multihop có được nhờ thêmmột trạm chuyển tiếp cố định hoặc di động (RS) vào giữa BS và một SS.

Hình 1.7 Cấu hình chuyển tiếp multihop

3.2 Một số kĩ thuật sử dụng trong WiMAX

3.3 Kĩ thuật OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật ghép kênh đasóng mang theo tần số trực giao, và gần đây đã được công nhận là phương thức tốtnhất dành cho việc truyền dữ liệu không dây hai chiều tốc độ cao Tính trực giao trongOFDM cho phép điều chế các sóng mang con chồng lấn lên nhau rất hiệu quả, tậndụng được băng thông mà không gây nhiễu cho các tín hiệu khác Ngày nay, côngnghệ này được sử dụng trong các hệ thống ADSL cũng như trong các hệ thống khôngdây 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 củaphép 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 bằngcách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song với tốc độ dữliệu giảm đi Mỗi một dòng dữ liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang conriêng biệt, được gọi là các sóng mang con (Sub – carrier) Các sóng mang này đượcđiều 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 đặnsao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận Nhữngsóng 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 rấtnhiều nhờ việc bỏ đi khoảng bảo vệ Do đó OFDM hiệu quả hơn FDM trong trải phổbởi 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 truyềndẫn 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 sóngmang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu Con số nàytương ứng với kích thước FFT (Fast Fourier Transformer) Chuẩn giao tiếp vô tuyến802.16 - 2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT 256 độrộng 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 đốikhoảng thời gian không đổi của ký tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang conđộc lập với độ rộng kênh Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các sóng mangcon trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằnglưu 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

4 Chuỗi bảo vệ

Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sửdụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISInhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI) Một mẫu tín hiệu có độ dài là Ts (tínhtheo đơn vị thời gian), chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài Tg ởphía 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 độdài chuỗi bảo vệ.

Hình 1.10 Chuỗi bảo vệ

Cụ thể nếu máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chènthêm chuỗi bảo vệ có chiều dài Tg được sao chép từ dưới lên thì tín hiệu này có chiềudài là T=Ts+Tg Do hiệu ứng đa đường, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đườngkhác 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 đứngtrước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI Do trongOFDM 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 nằmtrong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn Ở phíamáy 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 lớnhơn time ISI lớn nhất

Hình 1.11 ISI và cyclic prefix

5 Kĩ thuật song công

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 dụngcủa nó

• FDD (Frequency Division Duplexing)

Kỹ thuật này chia kênh tần số ra làm hai kênh riêng biệt, một tần số được sửdụng cho chiều lên, còn tần số còn lại được sử dụng cho chiều xuống

• TDD (Time Division Duplexing)

Kỹ thuật này cho phép các khung đường lên và đường xuống có thể nằm trêncùng 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 kĩthuật TDD có thể cấp phát một cách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiềutruyền và nhận dữ liệu, điều này rất hữu ích và quan trọng trong các đường truyềnInternet với tỉ lệ UL/DL không phải lúc nào cũng là 50/50 Xét một cách tổng quát thìTDD có thể mang lại sự linh hoạt cũng như giúp nâng cao năng lực của hệ thống lênrất nhiều TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống và đường lên để hỗ trợ lưulượng đường xuống và đường lên một cách hiệu quả và linh hoạt, trong khi đó vớiFDD thì lưu lượng đường xuống và đường lên luôn luôn bị cố định và thường là bằngvới 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 đếnmềm dẻo hơn đối với sự phân chia phổ thay đổi

Hình 1.12 TDD và FDD

6 Kĩ thuật OFDMA

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là một kĩ thuật đatruy nhập phân chia theo tần trực giao được phát triển dựa trên nền tảng của kĩ thuậtOFDM Trong OFDMA, băng tần sẽ được chia thành các băng tần con, mỗi băng tầncon 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 cậpvào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhucầu 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 nhiềungười dùng, khác với OFDM mỗi người dùng sẽ sử dụng toàn bộ băng tần tại cùngmột thời điểm Tùy theo yêu cầu mà mỗi người dùng sẽ được sử dụng một vài sóngmang con được cho phép

OFDMA cũng có dạng mở rộng là SOFDMA Trong OFDM và OFDMA, sốlượng sóng mang con thường được giữ bằng nhau với phổ có sẵn Số sóng mang conkhông 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 quyếtcác vấn đề này bằng cách giữ cho tỉ lệ số lượng sóng mang con và độ rộng băng tầnkhông gian sóng mang con không thay đổi Nói cách khác, số sóng mang con có thểtăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước Ví dụ, nếu một băngtần 5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chiathành 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 dễdàng Điểm quan trọng của SOFDMA là nó luôn giữ cho khoảng cách tần số giữa cácsubcarrier (sóng mang con) là luôn luôn không đổi cho các băng tần hệ thống khácnhau Khoảng cách tối ưu đã được chứng minh là tầm 10.94kHz Tối ưu theo nghĩa lànhiễu inter-symbol là thấp nhất và SNR là lớn

7 Điều khiển công suất

Thông thường, với hệ thống thông tin di động, điều khiển công suất bao gồmđiều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín nhằm thay đổi côngsuất 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 khiểncông suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực hiệnnhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới từng CPE để ổn định mức côngsuất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc luôn ở mức định trước Trong một môitrường fading thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước này có nghĩa là CPE chỉtruyền đủ công suất theo yêu cầu, ngược lại mức công suất phát của CPE sẽ khôngphù 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 khoảngcách của nó tới trạm gốc, với NLOS nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng trống vàchướng ngại vật

8 Điều chế thích nghi

Điều chế thích nghi là quá trình hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chếtín hiệu phụ thuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến Khi liên kết vô tuyến chấtlượng cao, sơ đồ điều chế cao nhất được sử dụng, đưa ra hệ thống dung lượng lớnhơn Ngược lại nếu chất lượng đường truyền kém do quá trình suy giảm tín hiệu vì lí

do nào đó, hệ thống WiMAX có thể sử dụng đến một sơ đồ điều chế thấp hơn để duytrì chất lượng kết nối và ổn định liên kết Tất nhiên tốc độ kênh truyền sẽ bị giảm đinếu sử dụng sơ đồ điều chế thấp hơn Cơ chế này cho phép hệ thống khắc phục fadinglựa chọn thời gian

Hình 1.14 Các phương pháp điều chế trong WiMAX IEEE 802.16

Các phương pháp điều chế được hỗ trợ trong WiMAX gồm QPSK, 16QAM hay64QAM Trong WiMAX di động thì cần xuống cần phải hỗ trợ đủ ba phương phápđiều chế trên, còn đường lên thì chỉ cần hỗ trợ QPSK và 16QAM, 64QAM là tùychọn, có thể hỗ trợ hoặc không Để hỗ trợ tối đa hơn nữa thì mã hóa thích nghi cũngđược hỗ trợ thêm và kết hợp với điều chế thích nghi để nâng cao hoạt động của hệthống Việc kết hợp tốc độ mã hóa khác nhau với các phương pháp điều chế thích nghi

sẽ cho các tốc độ đường lên đường xuống tăng giảm theo yêu cầu Trong WiMAX cả

mã hóa vòng và mã hóa Turbo với tốc độ mã thay đổi được hỗ trợ

8.1 Ưu nhược điểm của WiMAX

8.2 Ưu điểm

Được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.802.16, WiMAX là hệ thống đa truynhập 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 điểmsau:

• 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 củanhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ thống giảm đáng kể.

• Cấu trúc mềm dẻo

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, phươngtiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thờigian 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 cóthể 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 vàdải tần miễn phí, chuẩn 802.16 cung cấp một cách linh động các băng thông kênhtruyền 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 Chuẩncũng định rõ hỗ trợ đối các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗtrợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậmchí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh vô tuyến Hỗ trợ nhiều kênh cho phépcác nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụngphổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trườngquốc tế thay đổi khác nhau

• Phạm vi bao phủ

WiMAX hỗ trợ các điều chế đa mức, bao gồm BPSK, QPSK, 16-QAM, và QAM Khi được trang bị với một bộ khuếch đại công suất lớn và hoạt động với điềuchế mức thấp như BPSK hoặc QPSK, các hệ thống WiMAX có thể bao phủ một vùngđịa lý rộng khi giữa BS và SS không bị vật cản Để hỗ trợ một cách mạnh mẽ và linhđộng các mô hình điều chế, WiMAX cũng cung cấp các công nghệ làm tăng phạm vibao phủ, bao gồm kĩ thuật cấu hình lưới, chuyển tiếp kết hợp với hệ thống anten thôngminh

64-• Chất lượng dịch vụ

Tính năng hỗ trợ trong lớp MAC của chuẩn 802.16 cho phép một nhà điềuhành mạng có thể cung cấp đồng thời nhiều loại dịch vụ Có 4 loại dịch vụ được hỗtrợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụhỏi 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

• Bảo mật cao

WiMAX hỗ trợ AES (chuẩn mã hóa tiên tiến) và DES (trong đó là chuẩn mãhóa số liệu) Bằng cách mật mã hóa các liên kết giữa BS và SS, WiMAX cung cấp cácthuê bao riêng nhằm mục đích chống nghe trộm và bảo mật trên giao diện không dâybăng 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 sựbảo vệ dữ liệu được truyền bởi các người sử dụng khác nhau trên cùng một BS Tínhnăng bảo mật được tích hợp sẵn trong chuẩn 802.16 cung cấp một cơ chế truyền thôngtin cậy và an toàn Chuẩn 802.16 định nghĩa riêng một lớp con cho bảo mật thuộc lớpMAC gọi là Secure-Sublayer

9 Nhược điểm

Với bất kỳ hệ thống truyền thông vô tuyến nào thì ảnh hưởng của môi trườngtruyền sóng là không thể tránh khỏi, hệ thống WiMAX cũng có những hạn chế vềđường 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 làmmất kết nối

• Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạnchế sự phổ biến công nghệ rộng rãi

• Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” dohiện 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 WiMAXđược chứng nhận bao gồm : Alvarion, Selex Communication, Airspan,

Proxim Wilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim,Wavesat, Aperto, Axxcelera.

9.1 Các ứng dụng của WiMAX

WiMAX có thể cung cấp rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau củađời sống Dựa vào đặc tính công nghệ và các lớp dịch vụ WiMAX cho phép hỗ trợmột 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

VoIP, Video hội nghị Có

Công nghệ thông tin Không

Bản tin tức thời <250 byte bản tin

Trình duyệt Web >500 kbps

Tải dữ liệu Không Dữ liệu lớn, tải phim >1 Mbps