Tìm hiểu và đánh giá hất lượng của mạng mobile wimax

- 79 - Trang 7 -DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Viết đầy đủGiải thíchAAS Adaptive Advanced Antenna System Hệ thống anten nâng cao AMC Adaptive Modulation andCoding Mã

Tổng quan về Wimax

Lịch sử Wimax

Nhóm công tác IEEE 802.16, được thành lập vào tháng 8 năm 1998, là nhóm đầu tiên phát triển chuẩn 802.16 cho giao diện vô tuyến truy cập không dây băng rộng Ban đầu, nhóm tập trung vào các chuẩn và giao diện vô tuyến cho băng tần 10-60GHz, nhưng sau đó đã điều chỉnh dự án để thông qua chuẩn IEEE 802.16a, tập trung vào băng tần 2-11GHz.

Tháng 6 năm 2001: WiMAX Forum được thành lập với việc đề xướng 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 kỹ thuật cho phép truyền dữ liệu không dây băng thông rộng giống như với cáp và DSL."

Tháng 9 năm 2001: Chuẩn IEEE802.16 đầu tiên được đưa ra và công nhận

Tháng 10 năm 2001: Sprints ngừng việc triển khai MMDS

Tháng 12 năm 2001: AT&T ngừng tiếp tục các dịch vụ không dây cố định

Tháng 12 năm 2001: Chuẩn IEEE 802.16 chuẩn được hoàn thành cho băng tần quét

Tháng 2 năm 2002: Hàn Quốc cấp phép cho bằng tần trong dải tần 2.3GHz cho mạng băng thông rộng không dây lấy tên là WiBro

Các chi tiết kĩ thuật giao diện vô tuyến 802.16a được phê chuẩn cuối cùng vào 01/2003

ETSI đã phát triển tiêu chuẩn MAN không dây HiperMAN cho băng tần 2-11GHz vào tháng 10 năm 2003, dựa trên hướng dẫn 802.16 HiperMAN cung cấp giải pháp truyền thông cho mạng không dây tại Châu Âu, sử dụng lược đồ điều chế OFDM với FFT 256 điểm, một trong những lược đồ được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 802.16a.

Wimax Forum đóng vai trò như một liên minh tương tự như Wi-Fi trong WLAN, hỗ trợ phát triển sản phẩm MAN vô tuyến dựa trên các tiêu chuẩn của IEEE và ETSI Liên minh này tin rằng việc thiết lập một chuẩn chung cho truy cập vô tuyến băng rộng (BWA) sẽ giảm chi phí thiết bị và nâng cao hiệu suất Ngoài ra, các nhà khai thác BWA sẽ không bị ràng buộc vào một nhà cung cấp thiết bị duy nhất, nhờ vào khả năng tương thích của các trạm gốc với thiết bị truyền thông cá nhân (CPE) từ nhiều nhà cung cấp khác nhau Ban đầu, Wimax tập trung vào truyền thông cố định trong dải tần 10-66GHz, trước khi mở rộng sang lĩnh vực di động vào tháng 1 năm 2003 Wimax dựa trên sự tương thích toàn cầu từ các tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e, cùng với ETSI HiperMAN, trong đó IEEE 802.16-2004 phục vụ cho truyền thông cố định và IEEE 802.16e hỗ trợ dữ liệu di động tốc độ cao.

Khái niệm Wimax

Wimax là khả năng khai thác liên mạng toàn cầu đối với truy nhập vi ba (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

Wimax là công nghệ không dây dựa trên chuẩn 802.16, cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ cao qua khoảng cách xa Sử dụng sóng vi ba để truyền dữ liệu, Wimax phục vụ cho các ứng dụng như kết nối băng rộng đầu cuối, hotspot và kết nối tốc độ cao cho khách hàng doanh nghiệp Công nghệ này mang lại mạng không dây vùng thành thị (MAN) với tốc độ tối đa lên tới 70Mbps, trong khi các trạm gốc Wimax có khả năng bao phủ từ 5 đến 10km.

Các chuẩn cố định và di động được áp dụng trong cả băng tần cấp phép và không cấp phép Miền tần số cho chuẩn cố định nằm trong khoảng 2-11GHz, trong khi chuẩn di động hoạt động ở tần số dưới 6GHz.

Wimax hỗ trợ kết nối tầm nhìn thẳng (LOS) với khoảng cách lên đến 50km và tầm nhìn không thẳng (NLOS) từ 6-10km cho thiết bị truyền thông cá nhân CPE cố định.

Tốc độ dữ liệu đỉnh cho chuẩn cố định đạt đến 70Mbps mỗi thuê bao trong phổ 20MHz, với tốc độ tiêu chuẩn từ 20 đến 30Mbps Đối với các ứng dụng di động, tốc độ dữ liệu đỉnh là 30Mbps mỗi thuê bao trong phổ 10MHz, trong khi tốc độ tiêu chuẩn dao động từ 3-5Mbps Các trạm gốc có khả năng hỗ trợ lên đến 280Mbps, đáp ứng nhu cầu của hàng ngàn người sử dụng cùng lúc.

Băng tần

Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 sử dụng công nghệ OFDM và được thiết kế để hoạt động trong các băng tần 2.11GHz, hỗ trợ các lược đồ điều chế thích ứng và mã hóa Đây là giải pháp không dây cho truy cập Internet băng rộng cố định, cung cấp khả năng tương tác và giải pháp phân loại sóng mang cho các thiết bị đầu cuối Tiêu chuẩn này có thể được áp dụng trong cả băng tần được cấp phép và không cấp phép.

Các băng tần được cấp phép

Các băng tần không cấp phép

IEEE 802.16e hoạt động trong băng tần không cấp phép 2.3GHz, 2.5GHz và 3.5GHz.

So sánh WiMAX và các chuẩn không dây khác

1.4.1 So sánh giữa WiMAX cố định và WiMAX di động

Công nghệ WiMAX đã được triển khai với khả năng cung cấp truy cập không dây, cho phép kết nối ở khoảng cách lên đến 20 km Tuy nhiên, hiệu quả của nó phụ thuộc vào tình hình hạ tầng viễn thông tại từng khu vực Ở những nơi có hạ tầng tốt, WiMAX có thể mang lại lợi ích đáng kể cho người dùng.

WiMAX không thể cạnh tranh với các công nghệ hữu tuyến như DSL Thật đáng ngạc nhiên khi một Mb/s Wireless (không giới hạn) lại rẻ hơn một Mb/s hữu tuyến (không giới hạn) tại London hoặc Paris trong tương lai gần Nếu Mb/s không giới hạn này có tính chuyển vùng, cho phép kết nối Internet PDA hoạt động khắp thành phố, và tính di động, giúp phiên làm việc không bị gián đoạn khi di chuyển, thì đây sẽ là một sự thay đổi lớn.

WiMAX mang lại nhiều lợi ích, cho phép truy cập cả Fixed WiMAX và Mobile WiMAX trên cùng một hạ tầng Các nhà khai thác có thể bắt đầu bằng cách phủ sóng một khu vực nhỏ để thích ứng với sự phát triển kinh doanh, thường được gọi là mô hình “trả tiền khi bạn phát triển” Để thành công, các trường hợp kinh doanh cần phải phù hợp với thị trường, bao gồm các yếu tố như số lượng người dùng, nhu cầu từ xa, và các ứng dụng công nghệ Fixed WiMAX có thể là bước khởi đầu hiệu quả trước khi mở rộng sang Mobile WiMAX, giúp nhà khai thác xây dựng vị thế, danh tiếng và cơ sở dữ liệu khách hàng Mặc dù Mobile WiMAX thường chiếm ưu thế trong hệ sinh thái WiMAX, cần lưu ý rằng Mobile WiMAX cũng có thể phục vụ cho truy cập cố định từ góc độ kỹ thuật, bên cạnh các yếu tố chi phí và phổ tần.

1.4.2 So sánh giữa WiMAX và WiFi

WiMAX và WiFi là hai framework khác nhau, với WiMAX có khả năng truyền tải khoảng cách dài hơn và tích hợp tính di động giữa các cell Sự kết hợp giữa WiMAX và WiFi mang lại lợi ích bổ sung, đặc biệt khi WiMAX được sử dụng để hỗ trợ backhauling cho WiFi.

Cũng có một sự khác biệt trong thứ tự thời gian WiFi là một WLAN dựa vào chuẩn IEEE 802.11 xuất hiện trong năm 1997 và 802.11b được xuất hiện trong năm 1999.

WiMAX là hệ thống BWA di động dựa trên chuẩn IEEE 802.16, được ra mắt vào năm 2004, với phiên bản 802.16e ra đời vào tháng 2 năm 2006 Sự khác biệt giữa hai loại chuẩn này lên tới khoảng 6 năm Bảng 1.1 trình bày một số so sánh giữa WiFi và WiMAX.

Bảng 1.1: Một số điểm so sánh giữa WiFi WLAN và WiMAX BWA

Thuộc tính Wi-Fi (802.11) WiMAX(802.16)

Khả năng - Kênh cố định (20MHz)

- MAC hỗ trợ hàng chục người sử dụng

- Kênh có băng tần thay đổi

- Khả năng mở rộng băng tần từ 1,5- 20Mhz

- MAC hỗ trợ hàng trăm người sử dụng

- Sử dụng (CSMA/CA) nên không đảm bảo về chất lượng

- Hiện tại không hỗ trợ âm thanh,video

- Không cho phép các mức dịch vụ khác nhau

- Chỉ có TDD (bất đối xứng)

- Chỉ 802.11e ưu tiên cho QoS

- Có đảm bảo về chất lượng trên MAC

-Hỗ trợ âm thanh,hình ảnh

- Hỗ trợ nhiều mức dịch vụ T1 cho người buôn bán, đặc biệt hiệu quả ở nhà riêng

- Có TDD/FDD/HFDD (cả đối xứng và bất đối xứng)

- Yêu cầu bắt buộc cho QoS

Phạm vi - Tối ưu khoảng 100 m

- Không có khả năng bù khoảng cách

- 20 km (CPE ngoài trời), 10 km (CPE trong nhà)

- Thiết kế cho nhiều người sử dụng Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

- Thiết kế đa đường trong nhà (trễ 0,8às)

-Tối ưu hoá tập trung tại hai lớp PHY và MAC trong phạm vi 100m

- Mở rộng phạm vi nhờ thay đổi công suất nhưng lớp MAC có thể không chuẩn tắc hàng km

- Chịu được trễ đa đường lớn cỡ 10 ms

- Lớp PHY và MAC với khả năng mở rộng trong phạm vi cho phép

Phủ sóng - Tối ưu hoá trong nhà

- Không hỗ trợ mạng cấu hình pha trộn

- Tối ưu hoá bên ngoài trong tầm nhìn hạn chế

- Hỗ trợ cấu hình mạng pha trộn

- Hỗ trợ kỹ thuật anten thông minh

Độ chính xác là yếu tố quan trọng đối với tốc độ dữ liệu, được thể hiện qua tốc độ dữ liệu vật lý (PHY) trong bảng Tốc độ dữ liệu cao nhất được nêu rõ, nhưng không có giá trị cố định cho tốc độ dữ liệu lớp do các yếu tố như truyền lại, thích ứng liệt kê và kích thước header biến đổi Các nỗ lực chuẩn hóa vẫn đang tiếp tục nhằm cải thiện tốc độ dữ liệu cho các chuẩn IEEE 802.11/WiFi, đặc biệt là với chuẩn 802.11n.

WiMAX có hiệu suất vượt trội so với WiFi về phạm vi hoạt động, quản lý QoS và hiệu suất sử dụng phổ Tuy nhiên, điều này đi kèm với chi phí cao hơn cho tần số và sự phức tạp của thiết bị Do đó, việc WiMAX thay thế WiFi trong một số ứng dụng vẫn còn là điều chưa chắc chắn trong tương lai.

1.4.3 So sánh giữa WiMAX và 3G Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Table 1.2 compares the components of major wireless systems, including the second-generation mobile system GSM and its enhanced EDGE development, 3G UMTS, and two types of WiFi: 802.11b (original WiFi) and 802.11a (which incorporates OFDM transmission techniques), along with WiMAX.

Bảng 1.2: So sánh một số thành phần giữa WiMAX và 3G

Một băng thông kênh (tần số sóng mang)

Số người dùng mỗi kênh

200 kHz 2 đến 8 Lên đến 30 km

UMTS 1.9 GHz 5 MHz Nhiều (độ lớn:

25); tốc độ dữ liệu giảm

Lên đến 5 km (thường ít hơn)

WiFi (11b) 2.4 GHz 5 MHz 1 (tại một khoảng thời điểm nào đó)

WiFi (11a) 5 GHz 20 MHz 1 (tại một khoảng thời điểm nào đó)

Trong bài viết này, chúng ta sẽ so sánh Mobile WiMAX với các mạng 3G di động, trong đó Fixed WiMAX không được xem xét do đại diện cho một thị trường khác biệt Những ưu điểm của hai hệ thống này sẽ được phân tích, bắt đầu từ hệ thống 3G di động, được coi là công nghệ cũ hơn.

1.4.3.1 Các ưu điểm của hệ thống di động 3G

WiMAX hoạt động ở tần số cao hơn so với Cellular 3G, chủ yếu trong dải 1.8 GHz, dẫn đến việc giảm công suất nhận được khi tần số tăng Công suất truyền của hệ thống Wireless thường bị giới hạn bởi các yêu cầu môi trường và quy định Mặc dù phạm vi hoạt động của WiMAX nhỏ hơn so với 3G, nhưng trong các khu vực có mật độ cao, tham số phạm vi cell không phải là yếu tố giới hạn chính trong thị trường của các nhà khai thác Mobile.

3G đã được triển khai với các thiết bị sử dụng mạng High Speed Downlink Packet Access (HSPDA), mang lại tốc độ dữ liệu cao Các sản phẩm này đã được áp dụng rộng rãi từ khi ra mắt.

Vào năm 2005, công nghệ 3G đã có sự phát triển vượt bậc tại một số quốc gia, với tiến bộ nhanh chóng hơn từ 2 đến 3 năm so với WiMAX Tuy nhiên, vẫn còn nhiều câu hỏi về việc liệu 3G có thực sự chiếm lĩnh thị trường hay không.

Phổ WiMAX khác nhau giữa các quốc gia, dẫn đến việc người dùng mang thiết bị từ quốc gia A sang quốc gia B có thể phải sử dụng tần số WiMAX khác của nhà khai thác tại quốc gia B Tuy nhiên, việc sản xuất thiết bị di động đa tần số với chi phí thấp ngày càng trở nên dễ dàng hơn cho các nhà sản xuất.

Một số quốc gia áp dụng giới hạn về việc sử dụng tần số WiMAX, dẫn đến việc các nhà khai thác có thể bị cấm triển khai dịch vụ di động theo quy định của cơ quan chức năng.

Công nghệ di động 3G đã từng được các nhà sản xuất hàng đầu như Nokia hỗ trợ độc quyền Hiện nay, những công ty này đang chuyển hướng quan tâm sang WiMAX, trong khi vẫn duy trì sự chú ý đối với công nghệ 3G.

1.4.3.2 Ưu điểm của hệ thống (Mobile) WiMAX

Kiến trúc Wimax

Mô hình hệ thống

Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như mô hình một mạng điện thoại di động:

Hình 2.1: Mô hình hệ thống WiMAX Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình gồm có 2 phần:

• Trạm phát :giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000km 2

• Trạm thu : có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN

Các trạm phát WiMAX kết nối với mạng Internet qua các đường truyền tốc độ cao hoặc liên kết với các trạm trung chuyển qua đường truyền trực xạ, cho phép phủ sóng đến những khu vực xa xôi.

Các anten thu phát có khả năng trao đổi thông tin qua các đường truyền LOS (Line of Sight) và NLOS (Non-Line of Sight) Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được lắp đặt cố định tại các vị trí như Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009 trên cao, giúp tín hiệu ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa Băng tần sử dụng có thể lên đến khoảng 66GHz, vì tần số này ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và có băng thông lớn Để đảm bảo một đường truyền LOS hiệu quả, toàn bộ miền Fresnel thứ nhất phải không có chướng ngại vật; nếu không, cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể Kích thước của miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu.

Hình 2.2: Truyền sóng trong trường hợp LOS

Trong truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần từ 2-11GHz, tương tự như WLAN, cho phép tín hiệu vượt qua các vật cản thông qua phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ Tại điểm thu, các tín hiệu nhận được bao gồm sự tổng hợp của các thành phần từ đường truyền trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ Những tín hiệu này có sự khác biệt về khoảng trễ, suy giảm, phân cực và trạng thái ổn định so với đường truyền trực tiếp.

Here is the rewritten paragraph:Hiện tượng truyền sóng đa đường là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi phân cực tín hiệu, gây khó khăn cho việc sử dụng phân cực và tái sử dụng tần số trong các ứng dụng NLOS Do đó, chỉ đơn thuần tăng công suất phát không phải là công nghệ NLOS hiệu quả Thay vào đó, điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS phụ thuộc vào các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền và quỹ công suất của đường truyền vô tuyến.

Với những ưu điểm hiện có, NLOS cần được khai thác tốt hơn Do yêu cầu quy hoạch và giới hạn độ cao anten, việc đặt anten ở vị trí thuận lợi cho truyền LOS gặp khó khăn Sự mở rộng của mạng tế bào và việc tái sử dụng tần số ngày càng hạn chế khiến anten phải hạ thấp độ cao để giảm nhiễu đồng kênh, dẫn đến việc các trạm gốc hoạt động trong điều kiện NLOS, ảnh hưởng đến tầm nhìn thẳng tới các CPE Tuy nhiên, NLOS giúp giảm đáng kể chi phí khảo sát và cài đặt ban đầu, cho phép CPE hoạt động ở địa hình phức tạp và sử dụng thiết bị tại nhà Điều này đặt ra hai vấn đề: tổn hao thâm nhập tòa nhà và tính toán khoảng cách phủ sóng hợp lý với công suất phát thấp hơn WiMAX có thể giải quyết vấn đề này với phạm vi phủ sóng cải thiện nhờ các tính năng như kỹ thuật OFDM, kênh con hóa, phân tập thu phát, anten định hướng và điều khiển công suất.

Cấu hình mạng

Công nghệ Wimax hỗ trợ mạng PMP và một dạng của cấu hình mạng phân tán là mạng lưới MESH

2.2.1 Cấu hình mạng điểm đa điểm (PMP) -

PMP là mạng truy nhập bao gồm nhiều trạm phát sóng (BS) công suất lớn và nhiều trạm thu phát nhỏ (SS) Người dùng có thể nhanh chóng kết nối với mạng ngay sau khi lắp đặt thiết bị của mình Các SS sử dụng anten định hướng đến các BS, trong khi các BS có thể trang bị nhiều anten hoạt động theo nhiều hướng khác nhau hoặc theo một cung nhất định.

Trạm gốc BS đóng vai trò trung tâm cho các trạm thuê bao SS, với khả năng truyền tải dữ liệu theo hướng DL thông qua quảng bá, đa điểm hoặc đơn điểm Kết nối giữa một SS và BS được xác định thông qua nhận dạng kết nối CID.

Hình 2.4: Cấu hình điểm-đa điểm (PMP) 2.2.2 Cấu hình mắt lưới MESH Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Với cấu hình này SS có thể liên lạc trực tiếp với nhau Trạm gốc Mesh BS kết nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH

Một số điểm phân biệt

• Neighbor: Kết nối trực tiếp đến một node mạng

• Neighborhood: Tất cả các neighbor khác

• Extended neighborhood: Tất cả các neighbor từ neighborhood

Kiểu MESH khác biệt với PMP ở chỗ trong PMP, các điểm truy cập (SS) chỉ kết nối với bộ điều khiển (BS) và toàn bộ lưu lượng dữ liệu phải đi qua BS Ngược lại, trong kiểu MESH, tất cả các node có thể giao tiếp trực tiếp với nhau hoặc thông qua nhiều bước định tuyến qua các SS khác.

Một hệ thống có kết nối backhaul được gọi là Mesh BS, trong khi các hệ thống khác được gọi là Mesh SS Dù có sự tồn tại của Mesh BS, hệ thống này vẫn cần phối hợp quảng bá với các node khác trong mạng.

Hình 2.5 minh họa cấu hình mắt lưới MESH, trong đó backhaul là các anten điểm điểm được sử dụng để kết nối các trạm phát sóng (BS) nằm ở khoảng cách xa.

Mạng MESH có thể áp dụng hai loại lập lịch quảng bá Trong kiểu lập lịch phân tán, các hệ thống trong phạm vi hai bước của mỗi cell sẽ chia sẻ và hợp tác trong việc lập lịch, nhằm tránh xung đột và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên.

MESH lập lịch tập trung dựa vào Mesh BS để tập hợp các yêu cầu tài nguyên từ các

Mesh SS hoạt động trong một dải tần số cụ thể và phân phối các yêu cầu với khả năng riêng biệt Khả năng này được chia sẻ giữa các Mesh SS khác, nơi dữ liệu của người dùng được chuyển tiếp và trao đổi với Mesh BS.

Trong kiểu MESH, phân loại QoS được thực hiện dựa trên từng gói dữ liệu, khác với kiểu PMP nơi phân loại này kết hợp với các liên kết Kết quả là, chỉ tồn tại một liên kết giữa hai node trong mạng Mesh khi chúng giao tiếp với nhau.

Trong mạng topo Mesh, mỗi trạm có khả năng giao tiếp độc lập với các trạm khác mà không chỉ giới hạn vào trạm cơ sở (BS) Điều này mang lại lợi thế lớn cho chế độ Mesh, vì tầm hoạt động của BS có thể được mở rộng đáng kể, phụ thuộc vào số bước nhảy (hop) đến trạm khách (SS) xa nhất Khi được uỷ quyền cho một mạng, khả năng kết nối này tạo ra sự linh hoạt và mở rộng cho hệ thống.

Mesh, một nút SS ứng cử nhận một Node ID (Identifier) 16 bit sau một yêu cầu đối với

SS được nhận diện là Mesh BS, với Node ID và cơ sở nhận dạng nút Node ID được chuyển đến tiêu đề con Mesh trong khung MAC chung, áp dụng cho các thông báo unicast và broadcast.

Mô hình phân lớp

Giống như các tiêu chuẩn khác của IEEE 802, tiêu chuẩn 802.16 tập trung vào việc mô tả và chuẩn hóa hai lớp quan trọng là lớp liên kết dữ liệu (Datalink Layer) và lớp vật lý (Physical Layer).

Layer) trong mô hình OSI

Lớp MAC trong tiêu chuẩn 802.16 bao gồm ba lớp con: lớp con hội tụ (CS), lớp con MAC (CPS) và lớp con bảo mật Lớp CS thực hiện việc chuyển đổi và ánh xạ từ các mạng khác như ATM và Ethernet thông qua một điểm truy cập dịch vụ SAP Nhiệm vụ chính của lớp này là chuyển đổi các gói tin từ định dạng của mạng khác thành định dạng 802.16, sau đó chuyển xuống lớp CPS Đồng thời, lớp CS cũng thực hiện phân lớp dịch vụ từ các mạng bên ngoài để ánh xạ vào dịch vụ phù hợp trong 802.16.

Lớp CPS đảm nhiệm các chức năng quan trọng của lớp MAC, bao gồm truy cập, phân bổ băng thông, thiết lập và quản lý kết nối Lớp này nhận dữ liệu từ các CS khác nhau và phân lớp vào từng kết nối MAC riêng biệt Ngoài ra, chất lượng dịch vụ cũng được áp dụng trong quá trình truyền tải và sắp xếp dữ liệu.

Lớp con bảo mật cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa

Mô hình tham chiếu của 802.16 bao gồm lớp vật lý với nhiều định nghĩa khác nhau, mỗi định nghĩa phù hợp với một dãy tần số và ứng dụng cụ thể Nội dung chi tiết sẽ được mô tả trong phần sau.

2 3.1 Lớp con hội tụ CS

Kết nối là ánh xạ từ MAC BS đến MAC SS nhằm vận chuyển lưu lượng cho một dịch vụ cụ thể Mỗi kết nối được xác định bởi một CID (Connection Identifier) có độ dài 16 bit.

Lớp con hội tụ CS nằm trên đỉnh lớp MAC, thực hiện các chức năng quan trọng như nhận PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ cho các PDU này, xử lý chúng dựa trên dịch vụ tương ứng và phân phối xuống lớp con MAC qua điểm SAP thích hợp.

Lớp CS có nhiệm vụ chính là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU và ánh xạ chúng vào kết nối MAC tương ứng, tức là CID, nhằm đảm bảo xử lý QoS Để thực hiện điều này, lớp CS có thể áp dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc điều chỉnh tiêu đề của mỗi gói tin từ lớp trên Hiện tại, 802.16 chỉ cung cấp hai định nghĩa: ATM CS và Packet.

CS ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet, VLAN, …

Những định nghĩa khác có thể sẽ được hỗ trợ trong tương lai

Common Part Sublayer (CPS) nằm ở giữa lớp MAC CPS tượng trưng cho phần cốt lõi của giao thức MAC và có trách nhiệm:

• Quản lý kết nối giữa hai bên

Chuẩn 802.16-2004 quy định các thông báo quản lý và chuyển cần thiết cho việc thiết lập kết nối giữa SS và BS Trước và trong quá trình kết nối, các thông báo quản lý được trao đổi, và sau khi kết nối thành công, các thông báo chuyển sẽ được sử dụng để hỗ trợ việc truyền dữ liệu hiệu quả.

CPS nhận dữ liệu từ các CSS khác nhau qua MAC SAP và phân loại theo các nối kết MAC cụ thể QoS được xem xét để truyền và lập dữ liệu trên lớp PHY CPS bao gồm nhiều thủ tục khác nhau như xây dựng khung (frame), đa truy cập (multiple access), yêu cầu và cấp phát băng thông, lập thời biểu (scheduling), quản lý tài nguyên vô tuyến và quản lý QoS.

MAC Sublayer bao gồm một Security Sublayer riêng biệt, cung cấp chức năng xác thực, trao đổi khoá an toàn, mã hoá và kiểm soát tính toàn vẹn qua hệ thống BWA Hai yếu tố quan trọng trong an ninh mạng dữ liệu là mã hoá và xác thực dữ liệu, với các thuật toán được thiết kế để ngăn chặn các cuộc tấn công an ninh đã biết, bao gồm từ chối dịch vụ và đánh cắp dịch vụ.

Trong chuẩn 802.16, việc mã hóa kết nối giữa SS và BS được thực hiện thông qua một giao thức mã hóa dữ liệu cho cả hai chiều, định nghĩa một bộ mật mã hỗ trợ, ghép đôi các thuật toán mã hóa và xác thực dữ liệu Giao thức đóng gói (encapsulation) được sử dụng để mã hóa các gói dữ liệu qua BWA, đồng thời quy định các quy tắc áp dụng các thuật toán này vào tải trọng MAC PDU.

Giao thức xác thực Privacy Key Management (PKM) được áp dụng để đảm bảo việc phân phối an toàn dữ liệu khoá từ trạm gốc (BS) đến các thiết bị khác.

Giao thức quản lý khoá SS và BS thực hiện việc đồng bộ hoá dữ liệu khoá thông qua việc trao đổi khoá an toàn, củng cố các cơ cấu bảo mật cơ bản bằng xác thực SS dựa trên chứng nhận kỹ thuật số BS áp dụng giao thức PKM để đảm bảo truy cập có điều kiện đến các dịch vụ mạng Điểm sửa đổi 802.16e đã định nghĩa PKMv2, giữ nguyên framework của PKM (trước đây là PKMv1) và bổ sung các thuật toán mã hoá, xác thực lẫn nhau giữa SS và BS, hỗ trợ handover cùng với một thuật toán kiểm soát tính toàn vẹn mới.

WiMAX là một hệ thống truyền dẫn băng rộng không dây (BWA) cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao qua giao diện không khí Hệ thống này sử dụng sóng điện từ (vô tuyến) trên một tần số hoạt động cụ thể.

Lớp PHY trong chuẩn 802.16 thiết lập kết nối vật lý giữa hai phía theo hai hướng uplink và downlink Là công nghệ kỹ thuật số, lớp PHY chịu trách nhiệm truyền tải các dãy bit, định nghĩa loại tín hiệu, phương pháp điều biến và các đặc điểm vật lý khác Chuẩn 802.16 hoạt động trong dải tần số 2-66 GHz, được chia thành hai phần.

Những tính năng nâng cao để tăng cường hiệu năng

WiMAX cung cấp nhiều tính năng nâng cao nhằm cải thiện hiệu suất mạng Những tính năng này bao gồm hỗ trợ công nghệ đa ăng ten, ARQ lai và tối ưu hóa việc sử dụng lại tần số, giúp nâng cao khả năng truyền tải dữ liệu và tăng cường độ tin cậy của kết nối.

2.4 1 Những hệ thống ăng ten nâng cao:

WiMAX chuẩn cung cấp khả năng mở rộng, cho phép triển khai các giải pháp đa ăng ten nâng cao nhằm tối ưu hiệu suất hệ thống Việc sử dụng các hệ thống ăng ten nâng cao (AAS) giúp cải thiện khả năng thu được và hiệu quả phổ AAS hỗ trợ nhiều giải pháp đa ăng ten, bao gồm truyền dẫn đa dạng, định dạng búp sóng và ghép kênh theo không gian.

WiMAX sử dụng các chiến lược mã hóa khối khoảng thời gian (STBC) để cung cấp truyền dẫn đa dạng trong đường tải xuống, với hai hoặc nhiều ăng ten truyền dẫn và thu nhận Mã Alamouti là một ví dụ điển hình cho truyền hợp 2x1, cung cấp tính đa dạng tương đương với 1x2, mặc dù có sự giảm sút 3dB do dư thừa truyền dẫn Sự phức tạp trong truyền dẫn được chuyển tới trạm phát để giữ cho trạm thu tiết kiệm chi phí Ngoài 2x1, WiMAX còn định nghĩa STBC cho 3 hoặc 4 ăng ten Định dạng búp sóng (Beamforming) cho phép nhiều ăng ten truyền tín hiệu đồng nhất, giúp tập trung búp sóng vào thiết bị thu và giảm thiểu cản trở, từ đó nâng cao SINR Để thực hiện hiệu quả định dạng búp sóng, đầu phát cần thông tin chính xác về kênh, với TDD dễ dàng trao đổi nhưng FDD cần kênh phản hồi WiMAX hỗ trợ định dạng búp sóng cả trong đường tải lên và tải xuống, thường sử dụng định dạng búp sóng nhận được cho đường tải lên.

Ghép kênh theo không gian (Spatial multiplexing) trong WiMAX cho phép truyền các đường tín hiệu độc lập qua nhiều ăng ten, giúp tăng tỉ lệ truyền dữ liệu và khả năng lưu trữ của hệ thống Khi đầu thu cũng có nhiều ăng ten, các đường truyền có thể được chia nhỏ nhờ xử lý khoảng thời gian, tăng cường khả năng lưu trữ tuyến tính với số lượng ăng ten Hệ thống 2x2 MIMO có thể đạt lưu lượng gấp đôi so với WiMAX thông thường Ngay cả khi chỉ có một ăng ten, WiMAX vẫn hỗ trợ ghép kênh theo không gian thông qua mã hóa đa người dùng trong đường tải lên Tuy nhiên, kỹ thuật này chỉ hiệu quả trong điều kiện SINR tốt.

Hệ thống ARQ lai, kết hợp giữa ARQ và FEC, hoạt động tại lớp vật lý nhằm cải thiện hiệu quả đường liên kết so với ARQ truyền thống, mặc dù có chi phí cải tiến phức tạp hơn Phiên bản đơn giản nhất của H-ARQ là sự kết hợp giữa mã hóa FEC và ARQ, trong đó các khối dữ liệu được mã hóa bằng mã CRC và mã hóa FEC trước khi truyền Nếu bộ giải mã không thể giải mã các gói tin nhận được, yêu cầu truyền phát lại sẽ được đưa ra Khi khối mã truyền phát lại được nhận, nó sẽ được kết hợp với khối mã đã phát hiện trước đó và đưa vào bộ giải mã FEC, giúp tăng khả năng giải mã chính xác nhờ vào sự kết hợp của hai phiên bản khối mã Loại H-ARQ này thường được gọi là loại I kết hợp theo đuổi (chase combining).

WiMAX hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao thông qua việc kết hợp kênh N dừng và đợi ARQ với mã FEC Việc thực hiện nhiều kênh H-ARQ song song cho phép gửi dữ liệu bổ sung trong khi chờ thông tin, nâng cao hiệu suất truyền Hệ thống cũng cho phép không đồng bộ hóa hoạt động của H-ARQ, với kênh thông tin riêng cho tín hiệu ACK/NACK, mang lại sự linh hoạt trong lập lịch Để tăng cường độ tin cậy, WiMAX hỗ trợ H-ARQ II, hay còn gọi là dư thừa gia tăng, với mỗi truyền dẫn được mã hóa khác nhau, giúp cải thiện hiệu năng so với H-ARQ loại I Tỷ lệ hiệu quả mã thường giảm dần qua các lần truyền lại, dẫn đến việc gửi thêm bit trong mỗi lần lặp.

2.4 3 Tái sử dụng tần số Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Mặc dù hệ thống WiMAX có thể hoạt động với kế hoạch tái sử dụng tần số toàn cầu, nhưng điều này có thể gây ra sự ngừng trệ nghiêm trọng giữa các vùng trong cùng một tế bào Để khắc phục tình trạng này, WiMAX cho phép hoán vị cấp phát kênh con cho người dùng, tạo ra một sự cấp phát tần số động tùy thuộc vào điều kiện tải và trở ngại Người dùng có điều kiện SINR tốt sẽ truy cập băng thông kênh đầy đủ với tần số sử dụng lại 1, trong khi người dùng có điều kiện SINR kém sẽ nhận các kênh con không chồng chéo với tần số sử dụng lại 2, 3 hoặc 4 Phương pháp này giúp tối ưu hóa việc sử dụng tần số với giá trị thập phân nhỏ hơn 1 Tuy nhiên, nhược điểm là người dùng ở những vùng cell không thể truy cập kênh băng thông đầy đủ sẽ bị giảm tỉ lệ truy cập.

Lớp vật lý của WiMAX

Sự điều biến số

Giống như nhiều hệ thống truyền thông hiện đại, WiMAX/802.16 áp dụng điều biến số (digital modulation), cho phép biến đổi tín hiệu tương tự (analog) thành một dãy số để truyền tải qua các phương tiện như sợi quang hoặc liên kết vô tuyến Việc sử dụng điều biến số mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng chống nhiễu tốt hơn, cùng với việc áp dụng các thuật toán truyền thông số và mã hóa hiệu suất cao.

Hình 3.1: Nguyên lý điều biến số

Trong hệ thống viễn thông, có nhiều loại điều biến số được sử dụng, bao gồm BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM, theo chuẩn IEEE 802.16 Các loại điều biến này có thể đạt được bằng cách điều chỉnh các đặc tuyến vật lý của sóng mang hình sin, như tần số, pha hoặc biên độ, hoặc kết hợp các đặc tuyến này.

3.1.1 Điều biến BPSK (Binary Phase Shift Keying)

BPSK, hay điều biến pha nhị phân, là một phương pháp điều biến số mà mỗi ký hiệu tương ứng với một bit, mang lại khả năng chống nhiễu cao và độ ổn định mạnh mẽ Phương pháp này sử dụng sự biến đổi pha để mã hóa các bit, với mỗi ký hiệu điều biến tương ứng với một pha nhất định Các pha của tín hiệu BPSK có thể là 0 hoặc π, tùy thuộc vào giá trị của bit dữ liệu Hình 3.2 minh họa rõ ràng quá trình điều biến BPSK và các giá trị pha của tín hiệu.

Hình3.2: BPSK 3.1.2 Điều biến QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

Khi yêu cầu về hiệu suất phổ cao hơn, việc sử dụng các ký hiệu điều biến lớn hơn, như nhiều b/s/Hz, trở nên cần thiết Ví dụ, QPSK sử dụng các ký hiệu điều biến với hai bit.

Bảng 3.1 trình bày các giá trị pha theo ký hiệu điều biến, cho thấy rằng QPSK có thể có nhiều biến thể nhưng luôn duy trì một chòm sao bốn điểm Quyết định tại bộ thu giữa các ký hiệu như “00” và “01” phức tạp hơn so với việc phân biệt giữa “0” và “1”, dẫn đến khả năng chống nhiễu của QPSK thấp hơn so với BPSK Một nguyên lý quan trọng trong truyền thông số là: “sự điều biến ký hiệu lớn hơn có hiệu suất phổ cao hơn nhưng cũng kém mạnh mẽ hơn.”

Hình 3.3: Ví dụ về QPSK Bảng 3.1: Các giá trị pha có thể có cho sự điều biến QPSK

Các bit chẵn Các bit lẻ Ký hiệu điều biến Ψk

3.1.3 Điều biến QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

QAM thay đổi biên độ của hai sóng mang hình sin dựa vào dãy số truyền, với hai sóng mang lệch pha + π/2, và được gọi là điều biến quadrature QAM-4 và QPSK thực chất là cùng một kiểu điều biến Các dạng điều biến 16 QAM (4 bit/ký hiệu) và 64 QAM (6 bit/ký hiệu) đã được đưa vào tiêu chuẩn IEEE 802.16, trong đó 64-QAM là phương pháp điều biến hiệu quả nhất Thực tế, mỗi ký hiệu điều biến truyền tải 6 bit thông tin.

Hình 3.4: Điều biến 64-QAM 3.1.4 Sự thích ứng liên kết

Khi có nhiều hơn một điều biến, lợi ích đáng kể có thể đạt được thông qua điều biến liên kết thích ứng, một tiến trình phổ biến trong các hệ thống truyền thông hiện đại như GSM/EDGE, UMTS và WiFi Nguyên lý hoạt động rất đơn giản: trong trường hợp liên kết vô tuyến tốt, hệ thống sẽ sử dụng điều biến mức cao, trong khi nếu liên kết vô tuyến kém, nó sẽ chuyển sang điều biến mức thấp nhưng mạnh mẽ hơn Hình 3.5 minh họa rõ ràng sự cải thiện của kênh vô tuyến trong các tình huống khác nhau.

SS ở gần BS Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Hình 3.5: Minh hoạ sự thích ứng liên kết

Điều chế OFDM

In 1966, Bell Labs proposed the patent for Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Subsequently, in 1985, Cimini suggested its application in mobile communications By 1997, the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) incorporated OFDM into the DVB-T system In 1999, WiFi WLAN IEEE 802.11g adopted OFDM for its physical layer (PHY).

CP giúp chống nhiễu liên khối và cho phép cân bằng miền tần số với độ phức tạp thấp, nhưng một nhược điểm là nó làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông do được thêm vào trước tải tin Hơn nữa, ảnh hưởng của CP tương tự như hệ số roll off trong các hệ thống sóng mang đơn - được lọc cosine nâng Tuy nhiên, nhờ vào phổ "tường gạch" (đan xen) rất nhọn của OFDM, một tỉ lệ lớn băng thông kênh cấp phát có thể được sử dụng cho truyền số liệu, từ đó giảm thiểu suy hao hiệu suất do tiền tố vòng CP.

OFDM khai thác phân tập tần số trong kênh đa đường bằng cách mã hóa và chèn thông tin lên các sóng mang con trước khi truyền Điều chế OFDM sử dụng biến đổi ngược Fourier nhanh (IFFT), cho phép sử dụng nhiều sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp Trong hệ thống OFDM, tài nguyên thời gian là các symbol OFDM, trong khi tài nguyên tần số là các sóng mang con Các tài nguyên này có thể được tổ chức thành các kênh con, cấp phát cho người dùng OFDMA là nguyên lý đa truy cập/ghép kênh, cho phép ghép kênh dữ liệu từ nhiều người dùng trên các kênh con hướng xuống và đa truy nhập hướng lên nhờ các kênh con này.

3.2.2.1 Cấu trúc symbol OFDMA và kênh con hoá

Cấu trúc symbol OFDMA gồm 3 loại sóng mang con như hình 3.6:

• Sóng mang con dữ liệu (data) cho truyền dữ liệu

• Sóng mang con dẫn đường (pilot) cho mục đích ước lượng và đồng bộ Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

• Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn; được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC

Cấu trúc sóng mang con OFDMA bao gồm các kênh con tích cực được phân nhóm thành các tập con sóng mang con OFDMA PHY hỗ trợ kênh con hóa cho cả hướng xuống (DL) và hướng lên (UL) Đơn vị tài nguyên tần số thời gian tối thiểu trong OFDMA là một khe, tương ứng với 48 âm điệu dữ liệu (các sóng mang con).

Có hai kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hóa: phân tập và lân cận Hoán vị phân tập tạo ra các sóng mang con ngẫu nhiên, hình thành các kênh con, cung cấp phân tập tần số và giảm nhiễu liên tế bào Các hoán vị phân tập bao gồm DL FUSC (Fully Used Sub-carrier), DL PUSC (Partially Used Sub-Carrier), UL PUSC và các hoán vị tùy chọn khác Với DL PUSC, mỗi cặp symbol OFDM nhóm các sóng mang con khả dụng thành các cluster chứa 14 sóng mang con lân cận trong mỗi khoảng thời gian của symbol, với việc cấp phát dữ liệu và dẫn đường trong mỗi cluster cho các symbol chẵn và lẻ.

Hình 3.7 minh họa tần số DL với nhiều kênh con, trong đó các nhóm cluster được hình thành từ các cluster phân bố qua không gian sóng mang con Mỗi kênh con trong một nhóm bao gồm hai cluster và được tạo ra từ 48 sóng mang con cùng 8 sóng mang dẫn đường (pilot) Các sóng mang con dữ liệu trong nhóm được hoán vị để tạo ra các kênh con trong phạm vi nhóm, chỉ có các vị trí dẫn đường trong cluster được thể hiện trong hình 3.7, trong khi sóng mang con dữ liệu được phân bổ cho nhiều kênh con khác nhau.

Cấu trúc cluster cho DL, một cấu trúc lát (tile) được định nghĩa cho UL PUSC có định dạng như hình 3.8

Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC phân chia không gian sóng mang con khả dụng thành các lát (tile) và nhóm chúng lại để tạo thành khe (slot) Mỗi khe bao gồm 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con dẫn đường trong 3 symbol OFDM Hoán vị lân cận nhóm các sóng mang lân cận thành một kênh con, với các hoán vị AMC hướng DL và UL có cấu trúc tương tự Trong mỗi symbol, có 9 sóng mang con lân cận, trong đó 8 sóng dành cho dữ liệu và 1 cho dẫn đường Một slot trong AMC được định nghĩa là tập hợp các bin với cấu trúc (NxM = 6), trong đó N là số bin lân cận và M là số symbol cận, cho phép tổ hợp (6 bins, 1 symbol).

Chế độ OFDM cho mạng không dây diện rộng (Wireless MAN) theo chuẩn IEEE 802.16e-2005 sử dụng kỹ thuật S-OFDMA (Scalable OFDMA), cho phép hỗ trợ nhiều dải băng thông khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu cấp phát phổ và mô hình sử dụng Khả năng tỉ lệ được tối ưu hóa thông qua việc điều chỉnh kích thước FFT, trong khi vẫn giữ băng tần sóng mang con cố định ở mức 10.94 KHz Điều này đảm bảo rằng băng thông sóng mang con và độ dài symbol là cố định, giúp giảm thiểu ảnh hưởng ở các lớp cao hơn khi thực hiện tỉ lệ băng thông Các tham số S-OFDMA được trình bày trong bảng 3.2, với băng thông hệ thống cho hai hồ sơ đầu tiên của nhóm kỹ thuật WiMAX Forum (Release-1) là 5 và 10 MHz.

Bảng 3.2: Các tham số tỉ lệ OFDMA Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

3.2.2.3 OFDM trong lớp OFDM PHYsical: Phân kênh con

Trong thực tế, OFDM PHY bao gồm truy cập OFDMA, với sự phân kênh con được giới thiệu trong tiêu chuẩn 802.16 2004 cho uplink và downlink trong phiên bản sửa đổi 802.16e Cụ thể, 192 sóng mang con OFDM dữ liệu hữu ích được phân phối trong 16 kênh con, mỗi kênh con chứa 12 sóng mang con Mỗi kênh con lại được chia thành bốn nhóm, mỗi nhóm gồm ba kênh con gần kề.

Quá trình truyền phân kênh con chỉ diễn ra trên không gian sóng mang con của OFDM, với khả năng truyền qua 1, 2, 4, 8 hoặc 16 kênh con Sử dụng 5 bit để đánh chỉ số kênh con và các chỉ số sóng mang con cho đường uplink Nếu có từ hai kênh con trở lên được cấp phát, sẽ có một hoặc nhiều sóng mang con dẫn đường (tổng cộng tám sóng mang con dẫn đường) được phân bổ Các sóng mang con không được sử dụng cho việc truyền sẽ không hoạt động trên bộ phát Chỉ số kênh con 5 bit được sử dụng trong UL-MAP để thông báo cấp phát uplink.

Trong uplink, việc truyền được phân kênh con là tùy chọn cho SS, nhưng chỉ khả thi khi BS xác nhận khả năng giải mã các nội dung truyền này BS không được cấp phát cho hai hoặc nhiều SS sự phân kênh con trùng lặp cùng một thời điểm.

Khi sử dụng sự phân kênh con, SS duy trì cùng một mật độ công suất truyền cho đến khi đạt mức công suất tối đa Khi số kênh con được cấp phát cho người dùng uplink giảm, công suất truyền cũng giảm tương ứng mà không cần thêm thông báo kiểm soát công suất Ngược lại, khi số kênh con tăng, tổng công suất truyền cũng tăng theo Mức công suất truyền không được vượt quá các giới hạn tối đa do yêu cầu tính toàn vẹn tín hiệu và quy định Sự phân kênh con có thể biểu thị sự giảm công suất truyền và tăng dung lượng Điểm sửa đổi 802.16e đã định nghĩa một vùng phân kênh con downlink tùy chọn trong khung con OFDM PHY, trong đó các kênh con uplink được tái sử dụng một phần.

3.2.3 Các chuyển vị sóng mang con trong WiMAX OFDMA PHY

Phân phối sóng mang con trên các kênh con là một vấn đề phức tạp với nhiều yếu tố cần xem xét như tính di động, hỗ trợ AAS và các tiêu chuẩn tối ưu hóa khác nhau Chuẩn 802.16 cùng với điểm sửa đổi 802.16e cung cấp các chi tiết đầy đủ về nhiều chuyển vị sóng mang con được định nghĩa.

3.2.3.1 Các chế độ chuyển vị chính trong OFDMA

Các sóng mang con trong hệ thống OFDMA bao gồm sóng mang con điều khiển và sóng mang con dữ liệu, được cấp phát cho cả uplink và downlink Những sóng mang con này được sử dụng theo các chế độ chuyển vị khác nhau, ngoại trừ sóng mang con bảo vệ và sóng mang con DC.

Hai họ chế độ phân phối có thể được phân biệt:

Thu phát tín hiệu WiMAX

3.3.1 Quá trình phát tín hiệu WiMAX: Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Hình 3.14: Sơ đồ khối bộ phát WiMAX Bits: Các bit tín hiệu cần truyền đi

Quá trình ngẫu nhiên hóa thực chất là một hình thức giả ngẫu nhiên, trong đó một tập hợp các bit đầu vào được biến đổi để đảm bảo xác suất xuất hiện của các bit 0 và 1 là tương đương nhau Điều này giúp ngăn chặn tình trạng xuất hiện quá nhiều bit 0 hoặc bit 1, tạo ra sự cân bằng cần thiết trong dữ liệu.

Quá trình xuất hiện đồng bộ giữa các thiết bị có chu kỳ lặp lại, khiến chúng có vẻ ngẫu nhiên trong một khoảng thời gian nhất định Điều này mang lại hai lợi ích quan trọng Thứ nhất, nó đảm bảo sự đồng bộ với thiết bị thu, giúp dễ dàng khôi phục đồng hồ bên thu và cải thiện quá trình giải điều Thứ hai, đối với các thiết bị không có bộ giải điều chế ngẫu nhiên, tín hiệu sẽ giống như nhiễu, với xác suất bit 1 và 0 ngang nhau, dẫn đến việc không thể thu nhận tín hiệu.

Sự ngẫu nhiên hoá tín hiệu được thực hiện thông qua mạch cộng modulo 2 (vòng XOR) giữa tín hiệu nguồn và ngõ ra của thanh ghi dịch tuyến tính hồi tiếp (Linear-Feedback Shift Register) với đa thức 1 + X^14 + X^15 Thanh ghi dịch tuyến tính sẽ xác định vị trí khởi đầu của một burst, bỏ qua phần mở đầu (preamble), và khởi tạo giá trị cho quá trình này.

100101010000000, được khoá lại sau mỗi lần xử lý 1 bit trong burst Chỉ có tín hiệu nguồn được ngẫu nhiên hoá

FEC (Forward Error Correction) là phương pháp mã hóa sửa lỗi, giúp chèn các mã sửa lỗi vào dòng bit để khắc phục các bit sai lệch trong quá trình truyền tải Trong công nghệ WiMAX, mã tích chập là loại mã sửa lỗi phổ biến Ngoài ra, WiMAX còn hỗ trợ các loại mã hóa khác như mã nối giữa Reed Solomon và mã tích chập (Concatenated Reed-Solomon-Convolutional Code), Block Turbo Code (BTC) và Convolution Turbo Code (CTC) Tỉ lệ mã hóa cùng kích thước các khối mã hóa và giải mã của mã nối Reed-Solomon và mã tích chập được trình bày trong bảng 3.4.

Bảng 3.4: Tỉ lệ mã hoá RS-CC

Interleaving là quá trình đảo vị trí các bit trong chuỗi tín hiệu nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của lỗi khi một bit bị hỏng Nhiệm vụ chính của bộ Interleaver là ngăn chặn việc mất mát thông tin do lỗi liên tiếp trong các bit Để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của Interleaving, bạn có thể tham khảo hình 3.16.

Mapper có nhiệm vụ ánh xạ các bit vào bản đồ chòm sao IQ (Constellation map) theo các phương thức điều chế như BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM, sau đó truyền tải trên các sóng mang con.

Điều chế OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao trong miền tần số và ánh xạ các ký hiệu OFDM vào miền thời gian thông qua bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) WiMAX áp dụng phương pháp điều chế và mã hoá thích nghi, cho phép điều chế các sóng mang con dựa trên các thông số tỉ lệ (Rate ID) Thông tin chi tiết về các thông số tỉ lệ mã hoá và điều chế được trình bày trong bảng 3.5.

Bảng 3.5: Thông số tỉ lệ mã hoá và điều chế Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Hình 3.17: Tương quan giữa bán k nh ví à điều ch íếth ch nghi

Cyclic prefix insertion involves adding cyclic prefixes, or time guards, between OFDM symbols to prevent inter-symbol interference (ISI) in the time domain This technique enhances signal integrity by creating a buffer that mitigates the effects of noise, ensuring clearer communication in digital transmissions.

Inter Filtering: Bộ lọc bỏ các mẫu dư thừa trước khi qua bộ lấy mẫu dư DAC (Upsampling DAC)

Upsampling (DAC) là quá trình tăng tốc độ lấy mẫu nhằm tránh hiện tượng chồng phổ giữa các kênh lân cận Mục tiêu chính của việc này là chuyển đổi tín hiệu từ dạng số sang dạng tương tự một cách hiệu quả.

Bộ lọc và khuếch đại sóng radio, đặc biệt là lọc thông dải (Bandpass filter), đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường công suất phát tín hiệu Chức năng của bộ khuếch đại là giúp tín hiệu truyền xa hơn và giảm thiểu nhiễu, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu trong các ứng dụng truyền thông.

Transmitter: Bộ phát tín hiệu

3.3 2 Quá trình thu tín hiệu WiMAX: Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Hình 3.18: Sơ đồ khối bộ thu WiMAX Receiver: Bộ nhận tín hiệu

Bộ lọc và khuếch đại tín hiệu là hai thành phần quan trọng trong hệ thống thu nhận tín hiệu Bộ lọc thấp qua được sử dụng để loại bỏ nhiễu và chỉ cho phép các tần số cần thiết đi qua Do tín hiệu thường bị suy giảm trong quá trình truyền tải, bộ khuếch đại ở đầu thu là cần thiết để khôi phục độ mạnh của tín hiệu, đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của thông tin nhận được.

Upsapling/ ADC: B lộ ấy mẫu dư để átr nh nhi u lư ng t và s bi t danh (Alias) ễ ợ ử ự ệ Đồng th i bi n đ i tín hi u tương t sang tíờ ế ổ ệ ự n hiệu số

Lọc giảm thiểu (Decimation Filtering) là quá trình loại bỏ các tín hiệu không cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Việc loại bỏ tiền tố vòng (Cyclic Prefix Removal) có nhiệm vụ loại bỏ các khoảng bảo vệ trong các tín hiệu OFDM, giúp cải thiện hiệu quả truyền tải dữ liệu.

OFDM Demodulation: B ộ giải đi u chế OFDM Dựa v o c ch điều chế th ch nghi ề à á í mà đầu ph t sử ụá d ng, đ u thu sầ ẽ có cách giải đi u ch tương ng ề ế ứ

Demapper: B ộ giải ánh xạ Đây có ểth coi như b gi i điều chế ộ ả BPSK, QPSK, 16- QAM, 64-QAM tuỳ theo c ch điềá u ch íếth ch nghi mà bộ áph t s d ng ử ụ

Decoder: B ộ giải m Giải m ửa lỗi tuỳ theo c ch m ho ữa lỗi m đầu ph t sửã ã s á ã á s à á dụng (RS CC, CC, BTC,CTC) -

De Interleaver: B ộ giải trộn bit Đưa các bit tín hiệu về đ ng vị trí ban đầu dựa ú trên cơ chế đ ã đư c tho thuậợ ả n s n giẵ ữa đầu phá à t v đầu thu

De Randomization: Bộ giải điều chế ngẫu nhiên Đồng bộ với bộ ngẫu nhiên hóa các bit đầu vào để đưa các bit về vị trí ban đầu

Bộ ước lượng kênh và sửa lỗi đóng vai trò quan trọng trong việc ước lượng và điều chỉnh các sai lệch về tín hiệu và thời gian trong quá trình truyền dữ liệu Nó giúp cải thiện độ chính xác của thông tin bằng cách khắc phục những sai lệch không mong muốn, đảm bảo tín hiệu được truyền đi một cách chính xác và hiệu quả.

Bits: Chuỗi bit t n hiệu ban đầu đượí c khôi ph c l i ụ ạ

Lớp MAC của WiMAX

Các chức năng MAC và Frame MAC

4.1 1 Các địa chỉ MAC và Frame MAC

Mỗi SS có một địa chỉ MAC 48 bit theo chuẩn IEEE 802, định danh duy nhất cho tất cả các nhà cung cấp và thiết bị Địa chỉ này được sử dụng trong quá trình xác định phạm vi ban đầu để thiết lập kết nối cho SS, đồng thời cũng là một phần trong tiến trình xác thực giữa BS và SS Trong chế độ Mesh, mỗi nút cũng sở hữu một địa chỉ MAC IEEE 802 duy nhất.

Một BS 802.16 sở hữu một Base Station ID (BSID) dài 48 bit, khác với địa chỉ MAC của BS BSID này bao gồm một bộ chỉ báo toán tử 24 bit, cho phép nhận dạng toán tử một cách chính xác Chẳng hạn, BSID được sử dụng trong thông báo quản lý Downlink Channel Descriptor (DCD).

Trong chế độ Mesh, ngoài địa chỉ MAC, mỗi nút SS còn được cấp một Node Identifier (Node ID) 16 bit khi được quyền sử dụng Node ID được cấp phát sau khi một nút SS gửi yêu cầu đến một SS được nhận dạng là Mesh BS Đây là yếu tố quan trọng để nhận dạng các nút trong mạng Mesh.

Một MAC PDU, hay còn gọi là frame MAC, có cấu trúc chung được minh họa trong hình 4.1 Mỗi frame MAC bắt đầu với một header MAC có chiều dài cố định, sau đó là payload của MAC PDU Một MPDU có thể bao gồm một CRC (Cyclic Redundancy Check), và nếu có, payload MPDU sẽ chứa các đặc điểm cụ thể.

• Zero hoặc nhiều subheader được đưa vào payload

• Zero hoặc nhiều MAC SDU

• đoạn (hoặc các đoạn) của một MAC SDU Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Hình 4.1 minh họa dạng chung của một frame MAC SDU, trong đó thông tin payload có chiều dài biến đổi Điều này cho phép chiều dài frame MAC trở thành một số byte linh hoạt, giúp MAC có khả năng truyền tải nhiều loại lưu lượng lớp cao hơn mà không cần quan tâm đến các dạng hoặc mẫu bit của các thông điệp đó.

4.1.2 Phân đoạn, đóng gói và ghép

Giống như nhiều hệ thống không dây hiện đại, việc phân đoạn một MAC SDU thành nhiều MAC PDU hoặc ngược lại là khả năng quan trọng Phân đoạn giúp giảm thiểu rủi ro mất toàn bộ một MSDU, thay vào đó chỉ mất một phần nhỏ (fragment) Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc tăng lượng thông tin header cần thiết Trong các tình huống kênh vô tuyến kém hoặc thời gian đóng gói lâu, việc phân đoạn trở nên hữu ích Ngược lại, trong điều kiện kênh tốt, việc ghép (concatenation) cho phép truyền tải ít header hơn nhưng có nguy cơ mất toàn bộ gói được đóng gói.

Phân đoạn là quá trình chia nhỏ một MAC SDU thành nhiều MAC PDU, giúp tối ưu hóa băng thông trong điều kiện kênh vô tuyến kém và đáp ứng các yêu cầu QoS của service flow Sự hiện diện của phân đoạn được chỉ ra bởi bit 2 trong trường Type của frame MAC generic, thường liên quan đến các gói dữ liệu dài như gói IP Hình 4.2 minh họa rõ hơn về quá trình phân đoạn này.

Hình 4.2: Minh hoạ sự phân đoạn một MAC SDU cho ba MAC PDU

Trong ví dụ minh họa về MPDU, mỗi MPDU được cấu thành từ một Subheader Fragment Điều này dẫn đến việc bit 2 trong trường Type của header MAC generic được xác định là một Subheader Fragment, chứa thông tin liên quan đến vị trí của đoạn, chẳng hạn như đoạn đầu, giữa hoặc cuối.

Khả năng phân đoạn và tái tập hợp là bắt buộc.

Khi chức năng đóng gói được kích hoạt cho một nối kết, lớp MAC có khả năng gộp nhiều MAC SDU thành một MAC PDU duy nhất Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên khi kênh vô tuyến có chất lượng tốt Phía truyền sẽ quyết định việc đóng gói nhóm MAC SDU trong một MAC PDU hay không Sự hiện diện của chức năng đóng gói được thể hiện qua bit 1 trong trường Type của frame MAC generic.

Packing hiệu quả cho các gói ngắn giúp tiết kiệm băng thông bằng cách giảm tổng số header so với các SDU thông thường Mỗi gói chứa nhiều subheader, theo sau là MAC SDU, như minh họa trong hình 4.3 Tuy nhiên, nếu PDU bị mất, tất cả các SDU thành phần cũng sẽ bị mất, trong khi nếu không thực hiện packing, chỉ một SDU có thể bị mất.

Hình 4.3: Minh hoạ sự đóng gói các MAC SDU trong một MAC PDU

Khi cơ cấu ARQ được kích hoạt, các subheader phân đoạn và đóng gói sẽ được mở rộng, dẫn đến việc subheader của một gói được đóng gói có kích thước 3 byte thay vì 2 byte.

Khả năng unpacking (mở gói) là bắt buộc

Ghép (Concatenation) là quy trình kết hợp nhiều MAC PDU thành một nội dung truyền đơn, có thể thực hiện trong cả uplink và downlink Mỗi MAC PDU được nhận diện bởi một CID duy nhất, cho phép thực thể MAC trình bày MAC SDU cho đúng MAC SAP Điều này cho phép gửi các MPDU từ các CID khác nhau trên cùng một burst vật lý Ngoài ra, các thông báo quản lý MAC và các MAC PDU yêu cầu dữ liệu người dùng cùng băng thông có thể được ghép lại thành thông tin truyền Trong uplink, tất cả MPDU đều được truyền bởi cùng một SS.

Hình 4.4: Minh hoạ sự ghép cho một cuộc truyền burst uplink. Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

4.1 3 Các kết nối quản l ý cơ bản , chính và phụ

Khi khởi tạo SS tại đường vào mạng SS, các kết nối được nhận diện qua CID 16 bit, bao gồm hai cặp kết nối quản lý (uplink và downlink) giữa SS và BS, cùng với một cặp kết nối quản lý thứ ba tùy ý Ba cặp kết nối này cho phép quản lý lưu lượng với ba cấp độ QoS khác nhau Kết nối cơ bản (basic) được sử dụng bởi BS MAC và SS MAC để trao đổi các thông báo quản lý MAC ngắn, với một basic CID đi kèm.

Kết nối quản lý chính (primary) được sử dụng bởi BS MAC và SS MAC để trao đổi các thông báo quản lý MAC dài hơn, cho phép chịu đựng sự trễ tốt hơn Kết nối này có một CID quản lý chính.

Kết nối quản lý phụ (secondary) được sử dụng bởi BS và SS để chuyển các thông báo có khả năng chấp nhận trễ, dựa vào các chuẩn như DHCP, TFTP và SNMP Các thông báo này được tải trong các gói dữ liệu IP, vì chúng không phải là thông báo quản lý MAC Kết nối này chỉ được yêu cầu cho các SS được quản lý, với mỗi SS hỗ trợ một Basic CID, một Primary Management CID và có thể có nhiều Transport CID Đặc biệt, một SS được quản lý cũng hỗ trợ một Secondary Management CID Giá trị tối thiểu của số CID uplink được hỗ trợ là ba cho các SS được quản lý và hai cho các SS không được quản lý.

Mô tả sự đa truy cập và burst profile

4.3.1 Giới thiệu Ở phần này ta sẽ mô tả sự đa truy cập (multiple access) của WiMAX/802.16 Ta có thể thấy rằng các cơ cấu đa truy cập và chia sẻ tài nguyên vô tuyến thì khá phức tạp

Dịch vụ WiMAX có độ phức tạp cao hơn so với các dịch vụ không dây khác như GSM, WiFi/IEEE 802.11 và UMTS Tuy nhiên, WiMAX sử dụng công nghệ đa truy cập F/TDMA (Phân chia tần số và thời gian) rất linh hoạt.

Khái niệm về service flow trên một kết nối là trung tâm cho hoạt động của giao thức MAC, với các service flow trong chuẩn 802.16 cung cấp cơ cấu quản lý QoS cho uplink và downlink Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình cấp phát băng thông, khi một SS yêu cầu băng thông uplink dựa trên mỗi kết nối Băng thông được cấp phát bởi BS nhằm đáp ứng các yêu cầu từ SS WiMAX được biết đến như một hệ thống Demand Assigned Multiple Access (DAMA) Đầu tiên, các khả năng song công và các frame vật lý sẽ được mô tả, với các cuộc truyền WiMAX diễn ra trên các cụm tín hiệu hoàn toàn động Khái niệm đa truy cập liên quan chặt chẽ đến burst profile, và nội dung frame được biểu thị trong các thông báo DL-MAP và UL MAP.

Chuẩn WiMAX/802.16 sử dụng hai kỹ thuật song công chính là Time Division Duplexing (TDD) và Frequency Division Duplexing (FDD) Việc lựa chọn giữa TDD và FDD có thể ảnh hưởng đến các tham số PHY và tác động đến các tính năng hỗ trợ của hệ thống.

Hình 4.9: Minh hoạ hoạt động chế độ FDD: broadcast, full duplex và half duplex

Khi sử dụng các SS bán song công, bộ điều khiển băng thông không cấp phát băng thông uplink cho một SS bán song công trong cùng thời điểm mà SS đó mong đợi nhận dữ liệu trên kênh downlink Điều này bao gồm việc cho phép trễ trong việc chuyển đổi giữa uplink và downlink.

Trong TDD, các cuộc truyền uplink và downlink sử dụng cùng một tần số nhưng diễn ra vào thời điểm khác nhau Một frame TDD có thời gian cố định, bao gồm

Hình 4.10: Frame TDD: truyền uplink và downlink chia sẻ cùng một tần số nhưng có các thời gian truyền khác nhau

Hình 4.11: Dạng chung của một frame TDD (OFDM PHY).

Trong chế độ FDD, các frame downlink và uplink được truyền trên hai tần số riêng biệt, với frame uplink và frame downlink được phân tách rõ ràng Nội dung của chúng tương tự như trong chế độ TDD.

Topo Mesh chỉ hỗ trợ song công TDD

So sánh giữa chế độ FDD và TDD cho thấy FDD sử dụng khung thời gian cố định cho các cuộc truyền uplink và downlink, trong khi TDD có sự phân phối linh hoạt hơn Điều này làm cho TDD trở nên phù hợp hơn cho các tình huống có tốc độ dữ liệu không đối xứng, như trong quá trình truyền internet.

4.3.4 Truyền các frame con down link và uplink

Các cuộc truyền downlink và uplink hoạt động theo hai chế độ song công là TDD hoặc FDD, với dữ liệu được gửi qua các frame con tương ứng Cấu trúc của các frame con này là giống nhau cho cả hai chế độ TDD và FDD.

4.3.4.1 Frame con downlink OFDM PHY

Một frame con downlink OFDM PHY bao gồm một downlink PHY PDU có thể được chia sẻ bởi nhiều SS Downlink PHY PDU bắt đầu bằng một preamble dài để đồng bộ hoá PHY và lắng nghe các SS Sau preamble là burst tín hiệu Frame Control Header (FCH), trong đó FCH chứa Downlink Frame Prefix (DLFP) xác định burst profile và chiều dài tối thiểu của một burst tín hiệu downlink Các burst profile và chiều dài downlink có thể lên đến bốn sau FCH và được xác định trong DLFP Trường HCS chiếm byte cuối cùng của DLFP Đối với OFDM PHY, chuẩn xác định DLFP là một ký hiệu OFDM với sự điều biến và phương pháp mã hoá mạnh nhất, thường là BPSK với tốc độ mã hoá 1/2.

• Vị trí và profile của burst tín hiệu downlink đầu tiên (ngay sau FCH).

Vị trí và hồ sơ của burst tín hiệu tiếp theo tối đa được xác định trong thông báo quản lý MAC DL MAP Hồ sơ này được chỉ định bởi Rate_ID 4 bit cho các burst tín hiệu được biểu thị bởi DLFP hoặc bởi DIUC trong các DL-MAP.

Mỗi tín hiệu downlink có thể được gửi đến một hoặc nhiều SS thông qua unicast, multicast hoặc broadcast Thông báo DL-MAP, chỉ báo việc sử dụng frame downlink, có thể được truyền trong frame hiện tại mà không cần đến Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009.

DL-MAP và DLFP xác định tất cả các burst profile của frame con downlink, với DL-MAP là MAC PDU đầu tiên trong burst tín hiệu theo sau FCH Ngay sau thông báo DL-MAP là thông báo UL MAP, chỉ báo việc sử dụng frame uplink FCH được theo sau bởi một hoặc nhiều burst tín hiệu downlink, và cùng một hoặc nhiều burst profile có thể được sử dụng nhiều lần, điều này được cập nhật trong tiêu chuẩn 16e của 802.16-2004 Các burst tín hiệu downlink được truyền theo thứ tự giảm dần về độ mạnh của các burst profile Các bộ chỉ báo burst profile bao gồm DIUC và UIUC.

Hình 4.12: Các chi tiết về frame con downlink OFDM PHY 4.3.4.2 Frame con uplink OFDM PHY

Hình 4.13 minh họa cấu trúc của một frame con uplink Một frame con uplink trong chuẩn OFDM PHY bao gồm ba phần chính, được sắp xếp theo thứ tự cụ thể.

Mô phỏng WiMAX

Phần mềm mô phỏng mạng NS2

NS2 (Network Simulator 2) là phần mềm mô phỏng mạng điều khiển sự kiện riêng rẽ, được phát triển tại Đại học UC Berkeley Phần mềm này được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ và OTcl, cho phép người dùng mô phỏng các giao thức mạng và các tình huống khác nhau trong môi trường mạng.

NS rất hữu ích cho việc mô phỏng mạng diện rộng (WAN) và mạng local (LAN) Bốn lợi ích lớn nhất của NS 2 phải kể đến đầu tiên là: -

• Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng đang tồn tại

• Khả năng đánh giá các giao thức mạng mới trước khi đưa vào sử dụng

• Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần như ta không thể thực thi được trong thực tế

• Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau

NS thực thi nhiều giao thức mạng quan trọng như TCP và UDP, cùng với các dịch vụ nguồn lưu lượng như FTP, Telnet và Web Ngoài ra, NS áp dụng các kỹ thuật quản lý hàng đợi như Drop Tail, RED và CBQ, đồng thời sử dụng các thuật toán định tuyến như Dijkstra Hệ thống cũng hỗ trợ multicasting và một số giao thức lớp MAC trong mô phỏng LAN.

Hình 5.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng

• OTcl Script Kịch bản OTcl

• Simulation Program Chương trình Mô phòng

• OTcl Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng

• NS Simulation Library Thư viện Mô phỏng NS

• Event Scheduler Objects Các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện

• Network Component Objects Các đối tượng Thành phần Mạng

• Network Setup Helping Modules Các mô đun Trợ giúp Thiết lập Mạng

• Plumbling Modules Các mô đun Plumbling

• Simulation Results Các kết quả Mô phỏng

• NAM Network Animator Minh họa Mạng NAM

NS là một bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng, bao gồm các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện, Thành phần Mạng và các mô đun Trợ giúp Thiết lập Mạng Để sử dụng NS-2, người dùng lập trình bằng ngôn ngữ kịch bản OTcl và có thể thêm mã nguồn OTcl vào NS-2 bằng cách viết các lớp đối tượng mới Những lớp này sẽ được biên dịch cùng với mã nguồn gốc, cho phép kịch bản OTcl thực hiện nhiều chức năng linh hoạt trong quá trình lập trình mạng.

• Khởi tạo Bộ lập lịch Sự kiện

• Thiết lập Mô hình mạng dùng các đối tượng Thành phần Mạng

• Báo cho nguồn traffic khi nào bắt đầu truyền và ngưng truyền packet trong Bộ lập lịch Sự kiện

Thuật ngữ "plumbing" trong mạng đề cập đến việc thiết lập các đường dữ liệu giữa các đối tượng mạng thông qua việc chỉ định con trỏ "neighbour" Mô đun plumbing OTcl thực hiện quá trình này một cách đơn giản, đóng vai trò quan trọng trong sức mạnh của NS.

• Tổ chức Bộ định thời Mô phỏng

• Huỷ các sự kiện trong hàng đợi sự kiện

• Triệu gọi các Thành phần Mạng trong mô phỏng

Tùy thuộc vào mục đích của người dùng với kịch bản mô phỏng OTcl, kết quả mô phỏng có thể được lưu dưới dạng file trace Định dạng file trace này có thể được nhập vào các ứng dụng khác để tiến hành phân tích.

• File nam trace (file.nam) được dùng cho công cụ Minh họa mạng NAM

• File Trace (file.tr) được dùng cho công cụ Lần vết và Giám sát Mô phỏng XGRAPH hay TRACEGRAPH Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Hình 5.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS

• NAM Visual Simulation Mô phỏng ảo NAM

• Tracing and Monitoring Simulation Mô phỏng Lần vết và Giám sát

Kiến trúc chung của NS được minh họa trong hình ảnh, cho phép người dùng hình dung từ góc trái dưới khi thiết kế và chạy các mô phỏng bằng Tcl Tcl sử dụng các đối tượng mô phỏng trong OTcl, trong khi các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện và phần lớn các đối tượng Thành phần Mạng được thực thi bằng C++ và có sẵn cho OTcl thông qua một liên kết OTcl Liên kết này được thực hiện thông qua TclCL, tạo nên NS, một bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng cùng với các thư viện mô phỏng mạng.

Tcl OTcl OTcl TclCL TclCL ns-2

E ve nt S ch ed ule r

Hình 5.3: Kiến trúc của NS-2 Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

• NS sử dụng hai ngôn ngữ lập trình: Ngôn ngữ kịch bản (Tcl – Tool Command Language) và Ngôn ngữ lập trình hệ thống (C/C++)

• NS là tầng biên dịch Tcl để chạy các kịch bản Tcl

• Bằng cách sử dụng C++/OTcl, bộ mô phỏng mạng phải hoàn toàn là hướng đối tượng

Các đối tượng C++ có liên kết với OTcl tạo thành một phân cấp, và nếu có sự phân cấp giữa các đối tượng C++, thì các đối tượng OTcl cũng sẽ có một phân cấp tương ứng.

Hình 5.4: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu

TclCL là ngôn ngữ kết nối giữa C++ và OTcl, cho phép viết kịch bản Tcl/OTcl để thiết lập và cấu hình mạng Ngôn ngữ này hỗ trợ liên kết giữa các lớp, khởi tạo đối tượng, kết nối biến và gửi lệnh.

Hình 5.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B

Vậy, tại sao NS lại cần sử dụng đến hai ngôn ngữ? Lý do là vì Bộ mô phỏng cần thực hiện hai việc khác nhau

Các mô phỏng cho các giao thức yêu cầu một ngôn ngữ lập trình hệ thống có khả năng tính toán hiệu quả các byte, tiêu đề packet và thuật toán thực thi trên tập dữ liệu lớn Trong quá trình này, tốc độ thời gian chạy thực (run-time speed) là yếu tố quan trọng hơn, trong khi thời gian thay đổi (turn-around time) bao gồm các giai đoạn như chạy mô phỏng, tìm lỗi, sửa lỗi, biên dịch lại và chạy lại lại ít quan trọng hơn.

Khi nghiên cứu mạng, việc chú ý đến các tham số và cấu hình có sự thay đổi nhỏ là rất cần thiết, cùng với việc khám phá nhanh chóng các scenario Trong tác vụ này, thời gian lặp lại (iteration time) trở nên quan trọng hơn, vì cấu hình chỉ được thiết lập một lần khi bắt đầu mô phỏng, do đó run-time trong tác vụ này không quan trọng bằng.

Theo giải thích trên, từng ngôn ngữ sẽ được dùng cho những việc gì?

Mô phỏng giao thức chi tiết yêu cầu ngôn ngữ lập trình hệ thống, bao gồm thao tác trên byte, xử lý gói và thực thi thuật toán Đào Đức Thắng, sinh viên XLTT&TT từ năm 2007 đến 2009, nhấn mạnh rằng tốc độ thời gian thực là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình này.

• Thực hiện bất kỳ việc gì mà cần phải xử lý tứng packet của một luồng

• Thay đổi hành vi của lớp C++ đang tồn tại theo những hướng đã không được lường trước

Mô phỏng các thông số và cấu hình thay đổi là rất quan trọng để tham dò nhanh một số tình huống Thời gian tương tác, bao gồm việc thay đổi mô hình hoặc

• Cấu hình, thiết lập hay những gì chỉ làm một lần

• Thực hiện những cái ta muốn bằng cách thao tác trên các đối tượng C++ đang tồn tại

Các liên kết trong OTcl đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các mô đun trì hoãn, hàng đợi và khả năng mất mát Để thực hiện các tác vụ chuyên nghiệp hơn, việc tạo ra đối tượng C++ mới là cần thiết.

Hầu hết định tuyến được viết bằng OTcl (dù thuật toán Dijkstra lõi viết bằng C++)

Mô phỏng HTTP sử dụng luồng bắt đầu từ OTcl, nhưng xử lý gói lại được thực hiện bằng C++ Phương pháp này hoạt động hiệu quả cho đến khi có tới 100 luồng khởi động mỗi giây Nếu cần triệu gọi Tcl nhiều lần trong một giây, việc chuyển sang C++ có thể là giải pháp tối ưu hơn.

Về phương diện mã nguồn, NS 2 được viết với 100.000 dòng mã lệnh C++, 70.000 - dòng mã Tcl và 20.000 dòng tài liệu.

5.1 4 Các đặc tính của NS - 2:

NS-2 thực thi những tính năng sau: Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

• Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router như DropTail, RED, CBQ,

Mô phỏng WiMAX với NS2

5.2.1 Giới thiệu: Ứng dụng mô phỏng của t nhằm mô phỏng việc truyền và nhận dữ liệu ở khoảng ôi cách xa sử dụng mạng WiMAX Ứng dụng bao gồm 11 nút, trong đó nút 0 đóng vai trò là trạm phát BS, 5 nút từ 1 đến 5 đóng vai trò là nguồn thu dữ liệu, 5 nút từ 6 đến 10 đóng vai trò nguồn gửi dữ liệu

Giao thức định tuyến DSDV là một phương pháp Proactive, cho phép đường đi luôn sẵn sàng tại mọi thời điểm Mỗi nút trong mạng duy trì một bảng định tuyến đến các nút khác, giúp nguồn kiểm tra và bắt đầu truyền gói dữ liệu mà không gặp phải độ trễ khi khởi động phiên giao tiếp.

5.2.2.1 Mô tả kịch bản Ứng dụng mô phỏng là một hình vuông dài 1000, rộng 1000m Thời gian mô phỏng là 30 giây Các nút được đặt cách trạm phát khoảng cách > 200m Các nút sử dụng ứng dụng phát sinh lưu lượng mạng loại CBR Mỗi nút sẽ truyền gói dữ liệu có kích thước là 1000 bytes, tốc độ truyền là 512 Kb, khoảng thời gian giữa các gói là 0.25s, số gói lớn nhất được gửi là 10000

To initialize common variables for a wireless simulation, set the channel to "Channel/WirelessChannel," the propagation model to "Propagation/TwoRayGround," and the physical layer to "Phy/WirelessPhy." Configure the MAC protocol as "Mac/802_16," and the queue type as "Queue/DropTail/PriQueue." Set the link layer to "LL," and use "Antenna/OmniAntenna" for the antenna type Specify the queue length as 50, the number of nodes as 11, and the routing protocol as "DSDV." Define the simulation area dimensions as 1000 by 1000 units, and set the simulation duration to 30.0 seconds.

Khởi tạo đối tượng mô phỏng: set ns [new Simulator]

Cài đặt file Trace tìm vết và file chạy mô phỏng Nam – set tracefd [open wimax.tr w] set namtrace [open wimax.nam w]

$ns namtrace-all-wireless $namtrace $val(x) $val(y)

Tạo mô hình mạng: set topo [new Topography]

$topo load_flatgrid $val(x) $val(y) create-god $val(nn)

Cấu hình kênh truyền dữ liệu: set chan0 [new $val(chan)]

$ns node-config -adhocRouting $val(rp) \

-llType $val(ll) \ Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

-movementTrace OFF set node_(0) [$ns node]

$ns initial_node_pos $node_(0) 20 set node_(1) [$ns node]

$ns initial_node_pos $node_(3) 20 Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009 set node_(4) [$ns node]

$ns initial_node_pos $node_(9) 20 set node_(10) [$ns node] Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

$ns initial_node_pos $node_(10) 20

Tạo kịch bản truyền thông: set udp0 [new Agent/UDP]

$ns attach-agent $node_(0) $udp0 set null0 [new Agent/Null]

$ns attach-agent $node_(1) $null0

$udp0 set fid_ 2 set cbr0 [new Application/Traffic/UGS]

$ns at 30.0 "$cbr0 stop" set udp1 [new Agent/UDP]

$cbr1 set random_ 1 Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

$udp2 set fid_ 2 set cbr2 [new Application/Traffic/ertPS]

$udp3 set fid_ 2 set cbr3 [new Application/Traffic/ertPS]

$ns at 30.0 "$cbr3 stop" Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009 set udp4 [new Agent/UDP]

$udp4 set fid_ 2 set cbr4 [new Application/Traffic/rtPS]

$ns attach-agent $node_(7) $udp6 set null6 [new Agent/Null] Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

$udp8 set fid_ 2 Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009 set cbr8 [new Application/Traffic/UGS]

Kết quả kịch bản bằng Nam: Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Hình 5.7: Kết quả mô phỏng kịch bản bằng Nam Kết quả chạy tracegraph file wimax.tr

Thông lượng của các gói tin phát sinh, nhận và bị mất trong nghiên cứu của Đào Đức Thắng (XLTT&TT-2007-2009) được thể hiện qua các hình ảnh minh họa Hình 5.8 cho thấy thông lượng của các gói tin phát sinh, trong khi Hình 5.9 trình bày thông lượng các gói tin nhận Cuối cùng, Hình 5.10 minh họa thông lượng của các gói tin bị mất, cung cấp cái nhìn tổng quan về hiệu suất truyền tải dữ liệu trong hệ thống.

Kích thước gói dữ liệu và độ trễ trung bình Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Hình 5.11: Kích thước gói dữ liệu và độ trễ trung bình

Trong phần mô phỏng, nhiều loại dịch vụ lập lịch được sử dụng, bao gồm dịch vụ trao đổi tự nguyện (UGS) và dịch vụ bình chọn thời gian thực (rtPS), cho phép truyền dữ liệu với tốc độ bit cố định Các gói tin được gửi và nhận từ các nguồn cách trạm phát BS hơn 200m, với tỉ lệ nhận gói tin cao và tỉ lệ mất gói tin thấp, đảm bảo độ trễ trung bình khoảng 0.

Vì vậy chất lượng dịch vụ là tốt Đào Đức Thắng – XLTT&TT-2007-2009

Tiêu đề	Tìm Hiểu Và Đánh Giá Chất Lượng Của Mạng Mobile Wimax
Tác giả	Đào Đức Thắng
Người hướng dẫn	TS. Ngô Quỳnh Thu
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Xử Lý Thông Tin & Truyền Thông
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2009
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	114
Dung lượng	5,61 MB