Công nghệ WIMAX cho người sử dụng di động

Là một công nghệ mới đang trong quá trình xây dựng, thử nghiệm để tiến tới hoàn thiện, WiMax hứa hẹn đáp ứng nhiều loại hình ứng dụng băng rộng tốc độ cao cùng thời điểm với khoảng cách

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đặng Cẩm Thạch

CÔNG NGHỆ WIMAX CHO NGƯỜI SỬ DỤNG DI ĐỘNG

Ngành: Kỹ thuật điện tử – Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc

Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t

DLFP Downlink frame prefix

NRM Network Reference Model

WME Wi-Fi Multimedia Extensions

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Trang nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Chương II - Tổng quan về kỹ thuật và đánh giá khả năng thực thi của Mobile Wimax

2.3.3 Dịch vụ phát quảng bá và truyền đa điểm 47

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.13: Mô hình kênh nhiều người dùng hỗn hợp để mô phỏng hoạt động

của hệ thống

56

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

hệ thống 802.16d với việc sử dụng lại tần số biến thiên và các cấu hình sector hóa

15

Hình 2.15: Thông lượng trong các trường hợp tỷ số DL/UL khác nhau và

WiMax tối ưu

58

Hình 3.5: Cấu hình thử nghiệm các dịch vụ 80

MỞ ĐẦU

WIMAX (World Interoperability Microwave Access) là hệ thống truy nhập vi ba

có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16

Hệ thống tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802, và diễn đàn WiMax là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16

Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai nhiều ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động Mạng WiFi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN (Local Area Network), còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng

đô thị MAN (Metropolitan Area Network) Mạng WiMax cũng như mạng đô thị hữu tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ cho các thuê bao trong vùng bán kính tới 50km

Công nghệ WiMax chủ yếu là quan tâm đến việc đưa truy cập vô tuyến băng rộng tới số đông khách hàng Công nghệ này đưa ra một sự lựa chọn giá rẻ thay thế cho truy cập băng rộng qua cáp và qua đường dây thuê bao số (DSL) Các chi phí lắp đặt cho một hạ tầng vô tuyến dựa trên chuẩn 802.16 thấp hơn rất nhiều so với các giải pháp hữu tuyến hiện nay, mà thường phải đòi hỏi đi cáp trong các toà nhà

và trên các đường phố Chính vì lý do đó, WiMax đã trở thành một giải pháp hấp dẫn cho việc cung cấp kết nối trong các mạng vô tuyến đô thị

Trong tình trạng thiếu hụt về hạ tầng hữu tuyến thì công nghệ WiMax là một giải pháp thiết thực để mở rộng dịch vụ tới nhiều miền khác nhau trên khắp đất nước, có thể mang truy cập băng rộng đến các hộ gia đình và các cơ sở kinh doanh của hàng triệu người sống ở vùng nông thôn và các thị trường đang phát triển

Là một công nghệ mới đang trong quá trình xây dựng, thử nghiệm để tiến tới hoàn thiện, WiMax hứa hẹn đáp ứng nhiều loại hình ứng dụng băng rộng tốc độ cao cùng thời điểm với khoảng cách xa hơn, cho phép nhà khai thác hội tụ nhiều loại hình dịch vụ trên nền mạng IP để mang đến cho khách hàng sự lựa chọn đa dạng các dịch vụ dữ liệu, thoại và video

Hiện nay công nghệ WiMax đang trong giai đoạn triển khai thử nghiệm và bắt đầu chuẩn bị cho giai đoạn kinh doanh chính thức ở Việt Nam, đây là công nghệ mới đang thu hút sự quan tâm của những người công tác trong lĩnh vực viễn thông

và công nghệ thông tin nước ta

Chính vì các ưu điểm nổi trội và sự bùng nổ trên toàn thế giới của công nghệ mới mẻ này, việc hiểu biết về công nghệ và khả năng triển khai trên thực tế là hết sức cần thiết nên khi được giao đề tài làm luận văn bảo vệ tốt nghiệp Cao học, tác giả đã chọn đề tài “Công nghệ WiMax cho di động và triển khai thử nghiệm ở Việt Nam” Tác giả chọn hướng nghiên cứu tìm hiểu sâu về Công nghệ WiMax di động

vì WiMax di động là triển vọng lớn nhất của WiMax Người dùng đầu cuối có thể

sử dụng Internet tốc độ cao lên tới 1Mbps tại bất kỳ nơi nào trong vùng phủ sóng Thiết bị đầu cuối của WiMax di động có thể là các card PCMCIA, USB, hoặc tích hợp sẵn trong con chip máy tính

Theo hướng nghiên cứu này, luận văn trình bày về công nghệ WiMax và các chuẩn của công nghệ này, đi sâu vào công nghệ WiMax di động và khả năng thực thi của nó Phần cuối của luận văn tác giả có dự định nghiên cứu khả năng triển khai WiMax di động cho mạng của một doanh nghiệp viễn thông tại Việt Nam nhưng do công nghệ WiMax di động còn rất mới mẻ (kể cả trên thế giới) nên chưa có các thiết bị cho loại hình này Có lẽ phải chờ một thời gian nữa, khi các nhà sản xuất thiết bị hoàn thiện công nghệ chế tạo thiết bị, thương mại hoá sản phẩm thì mới triển khai thử nghiệm dịch vụ WiMax di động được Chính vì vậy tại chương cuối của luận văn, thay vì nghiên cứu khả năng triển khai công nghệ WiMax di động, tác giả trình bày kết quả thử nghiệm và khả năng triển khai công nghệ WiMax cố định tại Việt nam qua kết quả thử nghiệm của một doanh nghiệp viễn thông mới là Viettel

Trên cơ sở này, luận văn tốt nghiệp được chia làm 3 chương:

Chương I: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMax cùng các ưu điểm nổi

bật, trình bày chuẩn công nghệ WiMax 802.16 và ưu điểm của công nghệ này so với công nghệ WiFi

Chương II: Trình bày tổng quan về kỹ thuật và đánh giá khả năng thực thi

của Mobile WiMax

Chương III: Trình bày kết quả nghiên cứu khả năng triển khai WiMax cho

mạng doanh nghiệp Viettel tại Việt Nam

Do đây là một công nghệ mới, đặc biệt là WiMax di động, còn đang trong giai đoạn hoàn thiện nên chưa có một tài liệu hoàn chỉnh chính thức có xuất bản viết về công nghệ này Để có thể hoàn thành được mục tiêu đặt ra của luận văn tác giả phải

tự tìm kiếm tài liệu từ Internet, các tạp chí viễn thông quốc tế và các tài liệu tại các hội thảo WiMax Về phần triển khai thực tế, với sự giúp đỡ của nhóm thử nghiệm WiMax Viettel tác giả đã tìm hiểu và có được kết quả giai đoạn thử nghiệm và khả năng chính thức cung cấp dịch vụ WiMax cố định của doanh nghiệp này

Luận văn đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, làm việc với tinh thần nghiêm túc và nỗ lực, nhưng chắc chắn không tránh khỏi một số thiếu sót Do vậy tác giả mong mỏi nhận được sự chỉ bảo và góp ý thêm của các thầy và các bạn sinh viên nhằm hoàn thiện hơn nữa luận văn của mình

Thực hiện luận văn với sự động viên giúp đỡ tận tình của thầy cô, bạn bè đồng nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo Phó Giáo sư Tiến sĩ Trịnh Anh

Vũ - Trường đại học Công nghệ- DHQG –Hà nội, người đã tận tình hướng dẫn, cho tôi những định hướng và chỉ bảo vô cùng quan trọng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nhóm WiMax Viettel đã giúp đỡ và cung cấp cho tôi những kết quả, tài liệu quý giá

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX

1.1 Giới thiệu

WiMax di động là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ các mạng băng rộng cố định và di động thông qua một công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng diện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo Giao diện không gian WiMax di động thông qua công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện hiệu suất đa đường trong môi trường tầm nhìn không thẳng NLOS OFDMA theo tỷ lệ (SOFDMA) được giới thiệu trong bổ sung IEEE 802.16e để hỗ trợ các băng tần kênh truyền theo tỷ lệ từ 1.25 đến 20MHz Nhóm kỹ thuật di dộng (Mobile Technical Group) trong diễn đàn WiMax đang phát triển các tham số hệ thống cho WiMax di động qua đó xác định các đặc tính bắt buộc và tùy chọn của chuẩn IEEE

mà cần thiết để xây dựng giao diện không gian tuân theo WiMax di động có thể được chứng nhận bởi diễn đàn WiMax Các tham số hệ thống WiMax di động cho phép các hệ thống di động được cấu hình dựa trên một tập hợp đặc tính cơ bản phổ biến do đó đảm bảo các chức năng cơ bản nhất cho các thiết bị đầu cuối và các trạm gốc có thể tương tác hoàn toàn Một số các phần tử của tham số trạm gốc được đưa

ra như một tùy chọn để cung cấp thêm tính linh hoạt cho việc triển khai, dựa trên các điều kiện triển khai cụ thể mà có thể yêu cầu các cấu hình khác nhau là dung lượng tối ưu hay độ bao phủ tối ưu Các tham số WiMax di động phiên bản 1 sẽ bao phủ các băng tần kênh là 5, 7, 8.75 và 10MHz cho các ấn định phổ cấp phép toàn cầu trong các băng tần 2.3, 3.3 và 3.5 GHz

Nhóm làm việc diễn đàn WiMax đang phát triển các đặc điểm kỹ thuật mạng mức cao hơn cho các hệ thống WiMax di động dựa trên những gì được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.16 mà chỉ đơn giản gọi tên các đặc điểm kỹ thuật giao diện

vô tuyến Sự cố gắng kết hợp của IEEE 802.16 và diễn đàn WiMax giúp định nghĩa giải pháp hệ thống đầu cuối-đầu cuối (end-to-end) cho một mạng WiMax di động Các hệ thống WiMax di động đề xuất khả năng thay đổi được cho cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, vì vậy nó cung cấp tính linh hoạt lớn cho các lựa

chọn triển khai mạng và các đề xuất dịch vụ Một vài đặc điểm nổi bật của WiMax

di động là:

chế kênh con hóa linh hoạt, mã hóa và điều chế nâng cao, tất cả cho phép công nghệ WiMax di động hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống cực đại lên tới 63 Mbps trên mỗi sector và tốc độ dữ liệu đường lên cực đại đạt đến 28Mbps trên mỗi sector trong một kênh 10MHz

vụ, WiMax di động giúp tăng thêm tính năng, khả năng và chất lượng dịch vụ lên rất nhiều

Mỗi thiết bị có thể liên lạc kết nối với một trạm gốc gần nhất bằng cách sử dụng một trong số biểu đồ mã hóa đường truyền phụ thuộc vào chất lượng đường truyền tín hiệu, độ nhiễu, các khả năng xử lý bên trong và rất nhiều thông số khác nữa Việc mã hóa cũng thích ứng với thực trạng của thiết bị theo từng giai đoạn khác nhau

con lại cho phép các nhà khai thác dịch vụ mạng sử dụng dải phổ sẵn có một cách hiệu quả nhất

vụ đa phương tiện kết hợp truyền thoại, dữ liệu và hình ảnh video qua một đường kết nối vô tuyến tới người sử dụng Điều này có nghĩa là QoS rất cần thiết cho việc vận hành mạng hợp lý

Do công nghệ WiMax hoàn toàn là IP nên mối tương quan về QoS giữa mạng IP và các dịch vụ băng rộng (mà hầu hết dựa trên nền IP) không có gì phức tạp Chất lượng QoS trong kết nối vô tuyến là một phần của chuẩn WiMax

di động mà ở đó sử dụng một người điều hành đường truyền tín hiệu nhằm đảm bảo chất lượng QoS phù hợp với mỗi dịch vụ

Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC trong IEEE 802.16 là QoS Nó định nghĩa luồng dịch vụ mà có thể ánh xạ tới các điểm mã DiffServ hoặc các nhãn luồng MPLS để cho phép kết nối đầu cuối tới đầu cuối theo giao thức IP trên cơ sở QoS Thêm vào đó, các lược đồ kênh con hóa và báo hiệu dựa trên MAP (giao thức truy nhập môi trường) cung cấp một cơ chế mềm dẻo cho kế hoạch tối ưu các nguồn tài nguyên như không gian, tần số và thời gian thông qua giao diện vô tuyến trên từng khung (frame by frame)

nguyên phổ cho băng rộng không dây trên khắp thế giới vẫn còn khá lộn xộn

Do đó công nghệ WiMax di động được thiết kế để có thể mềm dẻo nhằm làm việc trong các kênh hóa khác nhau từ 1.25 đến 20MHz để tuân theo các yêu cầu

đa dạng hóa toàn cầu khi nỗ lực tiến lên để đạt được sự hòa hợp phổ trong một thời gian dài Điều này cũng cho phép nền kinh tế đa dạng thực hiện lợi nhuận nhiều mặt của công nghệ WiMax di động như cung cấp truy nhập Internet đủ năng lực trong vùng nông thôn, nâng cao khả năng truy nhập băng rộng di động trong các vùng thành thị và ngoại ô

nhất trong lớp với sự nhận thực theo EAP, mã hóa được nhận thực theo CCM và các cơ chế bảo vệ bản tin điều khiển theo CMAC và HMAC Các nhận thực cho một tập các người dùng đang tồn tại bao gồm: thẻ SIM/USIM, các thẻ thông minh (Smart Card), các chứng chỉ số (Digital Certificate), các nguyên lý Username/Password theo các phương pháp EAP tương ứng cho kiểu nhận thực

nhỏ hơn 50ms để đảm bảo các ứng dụng thời gian thực như VoIP, hoạt động mà không làm suy giảm chất lượng dịch vụ Các nguyên lý quản lý khóa mềm dẻo

mà bảo mật được duy trì trong suốt quá trình chuyển giao

Ngoài ra mạng WiMax di động IP hoàn toàn còn dựa trên các router IP hình thành mạng lõi với chi phí thấp So với các mạng lõi khác thì một mạng IP hoàn toàn vận hành và bảo dưỡng đơn giản hơn nhiều Khả năng mở rộng mạng lõi

dựa trên nền IP là một phần cơ bản của bất cứ mạng IP nào Nó cho phép các nhà khai thác dịch vụ mạng phát triển khả năng trong mạng của họ nhằm đáp ứng yêu cầu của thuê bao Do vậy có thể thấy một ưu điểm rõ rệt về ứng dụng của công nghệ WiMax di động dựa trên kiến trúc mạng IP hoàn toàn so với các thiết kế mạng lõi khác

WiMax di động được xây dựng nhằm đáp ứng các yêu cầu về ứng dụng mạng băng rộng di động do đó các ưu điểm của công nghệ này là sự kết hợp của hai công nghệ băng rộng và công nghệ di động

Các thuật toán IP di động và kiến trúc lõi của nó bao gồm các yếu tố chẳng hạn như các công ty phân phối trong nước cho phép chuyển giao các dịch vụ thuận tiện khi một thuê bao chuyển từ vùng phủ sóng này sang vùng phủ sóng khác Với hệ thống chức năng và các giao diện IP hoàn thiện, WiMax di động cho phép phân phối các dịch vụ dựa trên nền IP trong khi vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ đầu cuối QoS Các mạng lõi dựa trên các router và các khối chuyển mạch IP có chi phí thấp hơn, dễ dàng lắp đặt và vận hành hơn các mạng thay thế khác Khi các dịch vụ đa phương tiện ngày nay đều dựa trên nền IP thì toàn bộ các mạng IP đều có thể hỗ trợ dễ dàng trong việc cung cấp các dịch vụ viễn thông và đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ đa dạng

hợp với việc ứng dụng công nghệ anten thông minh cho phép kết nối liên lạc trong điều kiện môi trường bị chắn bởi những bức tường và các vật cản khác ở các khu đô thị và cả vùng nông thôn, công nghệ WiMax là công nghệ thực sự truyền NLOS

Việc ứng dụng công nghệ anten thông minh gồm khả năng tạo búp sóng, điều khiển công suất và các thông số xác định chuẩn khác Điều này có nghĩa là không kể đến môi trường hoạt động thì công nghệ WiMax tăng tối đa lượng dịch

vụ phân phối cũng như tăng chất lượng dịch vụ

1.2 Chuẩn 802.16

Bộ tiêu chuẩn IEEE 802.16 và các văn bản, diễn đàn đi kèm với nó hứa hẹn sẽ cung cấp dịch vụ WiMax truyền dữ liệu tốc độ cao trên vùng diện tích rộng lớn tới

số lượng người sử dụng lớn trong một tương lai gần Cùng với DSL, cáp và WiFi, WiMax sẽ mang lại khả năng truy nhập băng rộng tới các vùng xa xôi, đang phát triển tại các quốc gia nơi mà hiện tại chưa có băng thông rộng, cũng như để cạnh tranh trong thị trường đô thị WiMax có cạnh tranh được hay không là nhờ vào tốc

độ truyền dữ liệu thực tế và phạm vi phủ sóng, nhưng tiêu chí này rất khó đánh giá

do có nhiều loại lựa chọn và thị hiếu của khách hàng Phần này trước hết cung cấp cái nhìn tổng thể về 802.16 Sau đó, dựa vào các nghiên cứu mở rộng gần đây cho thấy thông lượng và tính năng hoạt động thực tế có thể đạt được của các hệ thống tương thích WiMax dựa vào chuẩn 802.16d được thông qua vào tháng 6 năm 2004 (bây giờ được đặt tên là 802.16-2004) Hy vọng rằng trong tương lai có thể nâng cấp tiêu chuẩn này để có thể tăng 4 lần tốc độ đạt được hiện tại trong khi đó cũng cải thiện tín hiệu và khả năng phủ sóng với độ phức tạp vừa phải của hệ thống Tiêu chuẩn IEEE 802.16, phiên bản đầu tiên được hoàn thành vào tháng 10 năm

2001, xác định giao diện vô tuyến và giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) dành cho mạng WMAN, cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu băng rộng tốc độ cao cho người sử dụng và doanh nghiệp Đây là chuẩn công nghiệp phổ biến đầu tiên sử dụng cho truy nhập vô tuyến cố định với băng tần đạt được cao hơn hầu hết các mạng tế bào khác Chuẩn IEEE 802.16 thường được gọi là WIMAX, báo trước một xu thế mới của truy nhập băng rộng như là một công cụ mới để kết nối nhà khách hàng, văn phòng với mạng viễn thông trên toàn cầu

Trong tương lai gần, 802.16 sẽ mang lại sự thay thế linh hoạt và dễ triển khai so với mạng truy nhập bằng cáp như cáp quang, đồng trục sử dụng các modem và đường truyền thuê bao số Các hệ thống không dây có khả năng cung cấp cho các khu vực địa lý rộng lớn mà tiết kiệm chi phí cơ sở hạ tầng so với dùng cáp, công nghệ này hứa hẹn giá thành triển khai rẻ và truy nhập băng thông rộng ở khắp mọi nơi Các hệ thống vô tuyến băng rộng đã được sử dụng vài năm nhưng tiêu chuẩn

chuẩn này đánh dấu sự trưởng thành của ngành viễn thông và sức cạnh tranh cao hơn cho dịch vụ vô tuyến băng rộng tầm nhìn không thẳng

Tiêu chuẩn 802.16 được khởi xướng vào tháng 8/1998 trong một cuộc họp bởi

hệ thống điện tử không dây thuộc viện nghiên cứu tiêu chuẩn công nghệ quốc gia Hoa Kỳ (N-WEST) Các nỗ lực này rất được hoan nghênh trong cuộc họp IEEE

802, dẫn tới việc thành lập nhóm công tác 802.16, đã nhóm họp hàng tuần liền sau mỗi 2 tháng kể từ tháng 7/1999 Sự ra đời của 802.16 và giao diện vô tuyến WMAN cùng với các tiêu chuẩn đi kèm và các sửa đổi là trách nhiệm của nhóm công tác IEEE 802.16 về các tiêu chuẩn truy nhập vô tuyến băng rộng Ban đầu, nhóm công tác chỉ tập trung vào dải tần 10 đến 66GHz, nhưng những nghiên cứu gần đây lại quan tâm đến dự án 2 đến 11 GHz, dẫn đến sự hoàn thiện của bộ tiêu chuẩn IEEE 802.16a vào tháng 1/2001 Bộ 802.16d là bản nâng cấp cho 802.16a được công nhận vào tháng 6/2004 (tên là 802.16-2004), ban đầu đưa vào một số tính năng được cải tiến cho đường lên Các thiết bị ban đầu dựa theo phiên bản đầu tiên của

bộ tiêu chuẩn này Gần đây, người ta đang chuẩn hoá bộ 802.16e, hứa hẹn hỗ trợ tốc

không đồng bộ cho phép trạm di động sử dụng PDA, điện thoại hay máy tính xách tay

Để hoà nhập nhanh chóng với các tiêu chuẩn trên toàn cầu, một lượng khổng lồ các lựa chọn được cung cấp trong các phiên bản 802.16 khác nhau dành cho các thông số có liên quan đến lớp vật lý (PHY) và MAC Người ta đã lập nên diễn đàn WiMax để đảm bảo các thiết bị dựa theo chuẩn 802.16 có khả năng tương tác trong thực tế Diễn đàn này đưa ra các hướng dẫn qui định băng tần hoạt động, PHY được

sử dụng và nhiều thông số khác, ngoài ra cũng phải kể đến các tài liệu hướng dẫn để tương thích giữa các nhà cung cấp thiết bị khác nhau Diễn đàn này cũng xác định một số băng tần cho các sản phẩm theo chuẩn 802.16d ban đầu, phải kể đến các băng tần đã được cấp phép (2.5-2.69 GHZ và 3.4-3.6 GHz) và chưa được cấp phép (5.725– 5.850 GHz) Do các lựa chọn có thể có trong các bộ tiêu chuẩn, cũng như loại tốc độ truyền dữ liệu, vùng phủ sóng và các thông số khác được coi là thành tựu

của 802.16, hiện nay người ta đang nhầm lẫn về kiểu tính năng hoạt động của các

hệ thống tuân theo chuẩn WiMax trong tương lai gần

1.2.1 Tổng quan về Lớp vật lý

Trước hết ta xem xét các phân hệ PHY và MAC của bộ tiêu chuẩn IEEE 802.16,

sử dụng các phương pháp tiếp cận cao hơn để nhấn mạnh các thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống 802.16 sau này Thiết kế của PHY 2-11 GHz được phát triển do nhu cầu hoạt động tầm nhìn không thẳng cho phép vùng phủ sóng linh hoạt, tiết kiệm chi phí Tiêu chuẩn IEEE 802.16a/d định nghĩa 3 lớp PHY khác nhau có thể được sử dụng kết hợp với lớp MAC để cung cấp đường truyền tin cậy thông suốt Các đặc điểm kỹ thuật của giao diện vô tuyến này là:

- MAN-Sca (A single-carrier modulated air interface) vô tuyến: Là một giao

diện vô tuyến điều biến đơn sóng mang

- MAN-OFDM vô tuyến: Là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

256 sóng mang Đa truy nhập của các trạm thuê bao khác nhau (SSs) dựa theo

kỹ thuật TDMA

- MAN-OFDMA vô tuyến: Là kỹ thuật OFDM 2048 sóng mang, đa truy nhập có được là nhờ phân bổ một tập con các sóng mang cho từng máy thu riêng biệt nên phiên bản này thường được gọi là đa truy nhập OFD (OFDMA)

Trong số 3 giao diện vô tuyến này, 2 hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM thích hợp hơn với hoạt động tầm nhìn thẳng do sự đơn giản trong việc cân bằng các tín hiệu đa sóng mang Trong đó MAN – OFDM vô tuyến 256 sóng mang có thể được các nhà sản xuất thiết bị ưa dùng hơn do tỉ số Đỉnh/Trung bình thấp hơn, tính toán biến đổi Fourier nhanh nhanh hơn và các yêu cầu đồng bộ tần số bớt nghiêm ngặt hơn so với kỹ thuật MAN-OFDMA vô tuyến 2048 sóng mang Các tài liệu gần đây của WiMax quy định tiêu chuẩn cho PHY OFDM 256 sóng mang Chính vì vậy các phần sau của luận văn này sẽ tập trung chủ yếu vào giao diện vô tuyến OFDM 256 sóng mang Trong số 256 sóng mang con này, 192 sóng mang dành cho dữ liệu người sử dụng, 56 sóng mang không mang tin để làm băng tần bảo vệ và 8 dùng cho các ký hiệu (symbol) dẫn đường Để cho các kênh phân tập đa đường được

mạnh mẽ người ta dùng thêm các mẫu 8,16,32 hay 64 làm các tiền tố vòng, phụ thuộc vào độ trễ kênh mong muốn

Để triển khai trên toàn cầu, IEEE 802.16 được xác định với nhiều loại băng tần kênh Băng tần kênh có thể là số nguyên lần của 1.25MHz, 1.5MHz và 1.75MHz

và cực đại là 20MHz Tuy nhiên các nhà cung cấp thiết bị muốn đảm bảo độ tương thích giữa các lần triển khai nên Diễn đàn WiMax đang giảm bớt số lượng băng tần

1.2.2 Điều chế thích nghi và mã hoá

Tiêu chuẩn 802.16a/d định nghĩa 7 tổ hợp tốc độ điều chế và mã hoá dùng cho các ứng dụng khác nhau để cân đối giữa chất lượng tín hiệu và tốc độ dữ liệu, tuỳ thuộc vào các điều kiện kênh và can nhiễu Bảng 1 mô tả các tổ hợp này, tuân theo một biểu mẫu tương tự với các cặp điều chế/mã hoá sẵn có trong các tiêu chuẩn IEEE 802.11 a/g trong LAN không dây

Một mô hình tương tự tiêu chuẩn 802.11 của 802.16 là nó sử dụng mã khối Reed-Solomon (RS) xoắn cùng với một mã xoắn trong Mã RS này là cố định và

) và do vậy làm tăng thêm 10% mào đầu Mã xoắn trong có chiều dài hạn chế bằng 7, tốc độ

nó có thể là 1/2 và 3/4 (xem bảng 1.1) Việc xen kẽ này được dùng để giảm lỗi chùm Cũng có lựa chọn dành cho mã Turbo, giúp cải thiện vùng phủ sóng và/hoặc dung lượng hệ thống nhưng làm tăng độ trễ mã hoá và độ phức tạp Các sản phẩm đầu tiên theo chuẩn WiMax không sử dụng mã hoá Turbo

Thông tin bits/symbol

Thông tin bits/

symbol OFDM

Tốc độ dữ liệu đỉnh tại 5 MHz (Mb/s)

Các kỹ thuật điều chế được cho phép ở đường lên và đường xuống là BPSK, PSK, QAM và 64 QAM Có 8 sóng mang con dẫn đường được chèn vào mỗi chùm

Q-dữ liệu để chứa các symbol OFDM và chúng được mã hoá theo từng vị trí sóng mang trong symbol OFDM đó Hơn nữa các từ mào đầu đã sử dụng trong 802.16d dùng để hỗ trợ đồng bộ và tính toán kênh phía thu Trong DL, một từ mào đầu dài 2 symbol OFDM được gửi ở đầu mỗi khung Trong UL, một từ mào đầu ngắn hơn, 1 symbol OFDM, được gửi bởi SS tại thời điểm bắt đầu mỗi khung

1.2.3 Mã khối phân tập không gian - thời gian

Mã khối phân tập không gian-thời gian (STBC) là một lựa chọn có thể được thực hiện tại DL để tăng độ phân tập Một STBC Alamouti 2x1 hoặc 2x2 có thể được thực hiện mà không làm giảm băng tần (mã Alamouti 2x2 tốc độ 1) trong khi đó vẫn tạo ra phân tập thời gian và không gian Đầu thu tận dụng khả năng tối đa dự tính tín hiệu đã được phát dựa vào tín hiệu thu được vì dường như WiMax sẽ cho phép phân tập phát 2 anten sử dụng mã hoá Alamouti Ngoài ra việc phân tập thu nhiều anten, cũng giúp cải thiện tính năng hệ thống Nhìn chung phân tập đầu thu được quan tâm hơn do không cần phải tăng thêm công suất hỗ trợ cho phân tập thu

sẽ dùng anten thích ứng để cải thiện hiệu quả tần số của hệ thống

1.2.5 Lớp MAC

Lớp MAC của IEEE 802.16 được thiết kế dành cho các ứng dụng truy nhập băng rộng điểm-đa điểm Nó thoả mãn các yêu cầu tốc độ cực cao với các mức độ chất lượng dịch vụ khác nhau Có các thuật toán phân bố băng tần và tín hiệu để cung cấp cho hàng trăm đầu cuối mỗi kênh Nó cho phép đầu cuối được chia sẻ bởi nhiều người sử dụng Dịch vụ người sử dụng có thể khác nhau theo yêu cầu băng tần và độ trễ, các dịch vụ mà đòi hỏi giao thức lớp MAC phải linh hoạt và hiệu quả trong nhiều loại lưu lượng số liệu khác nhau Hệ thống này được thiết kế để hỗ trợ truyền thoại và dữ liệu TDM truyền thống, kết nối IP và VoIP

Lớp MAC của 802.16 được chia thành các lớp con hội tụ cụ thể và lớp phần chung Phân lớp hội tụ cụ thể dùng để ghép lưu lượng cụ thể của tầng giao vận vào một MAC đủ linh hoạt để mang bất kỳ một loại thông tin nào Phân lớp chung là không phụ thuộc vào cơ chế giao vận, có nhiệm vụ phân chia các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC (SDUx) thành các đơn vị dữ liệu giao thức MAC (PDUs), điều khiển QoS và lập lịch, phát tiếp các PDU của MAC

Các yêu cầu băng tần và cơ chế cho phép được thiết kế linh hoạt, hiệu quả và tự điều chỉnh Hệ thống truy nhập 802.16 không làm giảm hiệu quả khi có nhiều kết nối tại mỗi đầu cuối, nhiều cấp độ QoS trong mỗi đầu cuối, và rất nhiều người sủ dụng được ghép kênh Nó tận dụng ưu điểm nhiều cơ chế yêu cầu, cân bằng độ ổn định truy nhập phi nội dung với phương thức truy nhập có nội dung

1.2.6 Phát các PDU của MAC

IEEE 802.16 được thiết kế để hỗ trợ ghép kênh phân chia theo tần số (FDD) và ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD) Trong chế độ FDD còn hỗ trợ thêm cả FDD không được đóng khung, trong đó việc truyền dẫn là không đồng bộ và không

sử dụng cấu trúc khung MAC tại BS tạo ra một khung DL (một khung con dành cho TDD), bắt đầu bằng một từ mào đầu dùng cho đồng bộ và tính toán kênh Một

từ mào đầu điều khiển khung (FCH) được phát đi sau khi từ mào đầu đó quy định thông tin về chùm dữ liệu cho phần còn lại của khung, đây là điều bắt buộc vì các chùm dữ liệu được phát với các kỹ thuật điều chế và mã hoá khác nhau Theo sau FCH là 1 hoặc nhiều chùm dữ liệu đường xuống, mỗi chùm được phát theo thông

tin của nó và chứa số nguyên lần ký hiệu OFDM Vị trí và thông tin của chùm dữ liệu đường xuống đầu tiên được chỉ rõ trong tiền tố khung đường xuống (DLFP), một phần nằm trong FCH

Các tính toán kênh ban đầu lấy được từ từ mào đầu được dùng trong tracking (theo dõi) thích nghi của kênh, sử dụng thông tin dẫn đường trong mỗi symbol OFDM vì độ dài mỗi khung là ngắn (1-2 ms) nên có thể bỏ qua việc tracking kênh thích nghi cho hầu hết các ứng dụng có dây vì kênh đó không thay đổi trong khoảng thời gian một khung đó

Các chùm dữ liệu phát đi theo thứ tự độ mạnh giảm dần để cho phép SS thu được tín hiệu tin cậy trước khi có khả năng bị lỗi mà dẫn đến mất đồng bộ Tại đường xuống, một phần TDM ngay lập tức theo sau FCH và dùng cho dịch vụ cho phép không cần hỏi (UGS), rất có ích trong các ứng dụng tốc độ bit không đổi và yêu cầu cao về độ trễ như VoIP

1.2.7 Khả năng hoạt động của 802.16d

Trong phần này mô tả các kết quả đi kèm với tính năng hoạt động của 802.16d trong một dự án dành cho điện thoại di động theo các cấu hình khác nhau Để tính toán hoạt động của 802.16d các kết quả ở mức đường truyền có được sử dụng phương pháp mô phỏng băng tần cơ sở viết bằng ngôn ngữ Matlab Việc mô phỏng này cung cấp các con số thống kê và khả năng của mỗi đường truyền vô tuyến giữa

BS và SS Hình 1.1 mô tả một mô hình như vậy Tại đầu trước của mỗi máy phát, tín hiệu băng cơ sở được lấy mẫu lên 4 lần để mô phỏng một tín hiệu tương tự và cải thiện độ phân giải đa đường

Hình 1.1: Mô phỏng liên kết 802.16d Việc phát và mã hoá kênh của tín hiệu băng cơ sở này thực hiện theo tiêu chuẩn IEEE 802.16d Tại máy thu, kênh thực tế và tính toán nhiễu nhờ vào các thuật toán

xử lý tín hiệu thực tế, và được sử dụng trong tính toán tỉ số log-likelihood (LLR) trong suốt quá trình tạo ra ký hiệu mềm Việc phát hiện các bit mềm làm tăng độ phức tạp của máy thu nhưng lại giúp cải thiện tính năng hoạt động

Người ta sử dụng kênh pha đinh lựa chọn tần số định nghĩa bởi mô hình nhiều đầu vào-nhiều đầu ra (MIMO) của 3GPP (third generation partnership project) Các

mô hình này cho phép tương tác giữa các anten phát và anten thu khác nhau, tùy thuộc vào các thông số như góc tới, phân tập anten, hướng anten và góc mở của các thành phần đa đường khác nhau Giả sử rằng các anten BS phân cách nhau bằng 4 lần bước sóng (57cm) thì độ phân tập vật lý giữa các thành phần anten tại SS hạn

bán kính cell là 3 km Hệ số Doppler là 2Hz tương ứng với tốc độ đi bộ tại tần số

đã chọn là 2.1GHz, công suất phát của BS là 50W Với SNR cho trước thì thông tin của chùm dữ liệu tối ưu chính là cực đại của lưu lượng (chẳng hạn cặp điều chế-mã hoá trong bảng 1.1 tối đa phương trình trên) Thông lượng trong phần này là thông lượng thực sự của lớp 2 (bao gồm cả thông tin mào đầu MAC) và với băng tần bằng 5MHz Thông lượng của một cell kích thước trung bình tính bằng trung bình

số học của tham số tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng thu được (SINR), tính đến tất cả các yếu tố có liên quan như sử dụng lại tần số, độ khuếch đại và mẫu của anten BS

Nhiễu AWGN + nhiễu OFDM được làm giảm

Ước lượng nhiễu biến thiên và kênh

Bộ giải điều chế OFDM

Bộ giải điều chế OFDM

Bộ mã hoá Alamouti

ML

Giải ánh

xạ symbol

Bộ điều chế OFDM

và SS, số lượng sector trong mỗi BS, khoảng cách giữa các BS, tần số sóng mang,

và kiểu truyền tin

Hình 1.2: Thông lượng trung bình trên toàn cell tại sóng mang 5MHz cho hệ thống 802.16d với việc sử dụng lại tần số biến thiên và các cấu hình sector hóa

Hình 1.2 mô tả thông lượng lớp 2 trung bình của DL với các kết hợp về hệ số tái

sử dụng tần số và phân chia cell Ưu điểm của việc sử dụng nhiều anten thu là có bằng chứng vì nó thêm được vài Megabit mỗi giây vào thông lượng ở mọi cấu hình Nó cũng cho thấy kết quả dự tính từ trước là tăng số sector sẽ làm tăng lưu lượng và nếu có thể, cần triển khai hệ số sử dụng lại tần số 1/1 (ở tất cả các cell) vì

độ khuếch đại từ hệ số 1/3 (cứ đến cell thứ 3 thì sử dụng lại tần số) không bù được

3 lần băng tần đã bị chiếm dụng

Nếu đứng trên quan điểm dung lượng thì lợi ích của việc thêm vào anten thu thứ hai còn lớn hơn nhiều Dung lượng thực sự là khả năng mà tốc độ dữ liệu đạt được nằm dưới một ngưỡng nào đó, trong khi nhiều người sử dụng được phân bố ngẫu nhiên trong cell đó Điều này rất hay xảy ra vì SINR thu được quá thấp do can nhiễu từ các cell kế cận và do suy giảm tín hiệu của BS mong muốn do suy hao

3 vị trí sector với sử dụng lại tần số 1/1

6vị trí sector với sử dụng lại tần số 1/1

3 vị trí sector với sử dụng lại tần số 1/3

6 vị trí sector với sử dụng lại tần số 1/3

đường truyền, pha đinh, và khuất bóng Nhìn vào hình 1.3 có thể thấy rằng đặc biệt

là trong hệ thống có hệ số sử dụng tần số là 1/1 (là hệ thống hay gặp nhất và có lưu lượng cao nhất) thì thêm vào một anten thu làm giảm xác suất khoảng ngừng phục

vụ 1.5 Mb/s đi một nửa Việc chia cell thành các sector không chồng lấn nhau bằng các anten định hướng cũng có ý nghĩa hơn trong cơ chế lưu lượng nhỏ hơn, trong

đó cần phải tránh các điều kiện can nhiễu và pha đinh

Hình 1.3 : Tỷ lệ % của diện tích cell trên tốc độ dữ liệu ít hơn 1.5 Mb/s

1.2.8 Các cải tiến trong tương lai của 802.16

Phần này đề cập đến một số nâng cấp hoàn toàn khả thi cho 802.16 So với LAN 802.11 không dây, hoạt động chỉ trong các dải tần không được cấp phép và trong phạm vi hẹp hơn nhưng lại tốn nhiều băng tần hơn, thì nhu cầu tối ưu hoá dung lượng của 802.16 càng trở nên cấp thiết để được đưa vào thương mại hoá Bảng 1.2 dưới đây đưa ra một số đề xuất làm tăng thông lượng trung bình lên gần 4 lần hoặc hơn, trong khi đó vẫn tăng được vùng phủ sóng và giảm xác suất ngừng thông tin

1.2.9 Ghép kênh không gian

3 vị trí sector với sử dụng lại tần số 1/1 6vị trí sector với sử dụng lại tần số 1/1 3 vị trí sector với sử dụng lại tần số 1/3 6 vị trí sector với sử dụng lại tần số 1/3

1 anten thu

2 anten thu

Nhờ mã hoá dữ liệu về thời gian và không gian, STBC mang lại phân tập không gian và độ mạnh tín hiệu chống lại suy giảm do pha đinh Tuy nhiên do thông tin

dư thừa được phát trên mỗi anten nên phân tập làm cho tốc độ dữ liệu đỉnh tăng

Đặc tính

kỹ thuật

Ghép kênh không gian/ tiền mã hóa

mang con tương thích/ Cấp phát công suất

Thông

lượng

Thông lượng trung bình tăng tuyến tính với bậc ghép kênh (ví dụ đạt được 100% cho ghép kênh bậc 2)

Giảm độ lợi

4-5 SNR tại mức thấp để giảm nhẹ SNR Hiệu quả hơn với tính di động cao hơn (ví dụ 802.16e)

Thông lượng cao hơn và độ mạnh được cải thiện, đặc biệt

ở vùng rìa của cell

Anten

phát

Nhiều hơn 1 hoặc

2 anten so với tiêu chuẩn hiện tại

chuẩn

cần được

hỗ trợ

Các symbol hồi tiếp và dẫn đường được yêu cầu

Yêu cầu định nghĩa cho các các kỹ thuật đánh thủng và báo hiệu

Ghép kênh không gian (SM), hay cũng được gọi là MIMO, là một kỹ thuật có ưu điểm trong các hệ thống nhiều anten, về nguyên tắc giúp tăng tốc độ dữ liệu tỷ lệ với số lượng anten phát vì mỗi anten phát mang một luồng dữ liệu riêng biệt Do vậy, nếu số anten là M và tốc độ dữ liệu mỗi luồng là R, dễ dàng thấy được tốc độ truyền số liệu là MR trong phương pháp ghép kênh không gian

Các cấu trúc máy thu phổ biến trong kỹ thuật SM phải kể đến các máy thu tuyến tính, như Zero-forcing (ZF) hay lỗi bình phương trung bình tối thiểu (MMSE), các máy thu phi tuyến như MLD (maximum likelihood detector), và bộ thu loại can nhiễu theo không gian BLAST Một hạn chế của các máy thu kiểu này là số anten phải không được nhỏ hơn số luồng dữ liệu được phát đi, nếu không kênh MIMO sẽ không có điều kiện tốt nhất và dữ liệu không được mã hoá chính xác Các bộ thu tuyến tính cũng dễ chế tạo vì đơn giản trong phép tính nhưng lại dễ bị can nhiễu nghiêm trọng trong một hệ thống tế bào mà có hạn chế về điều kiện can nhiễu MLD và BLAST có tính năng hoạt động tốt hơn nhưng lại phức tạp hơn rất nhiều, đặc biệt là MLD

Mặc dù về lý thuyết SM đạt được tốc độ truyền cao hơn kỹ thuật STBC nhưng

nó làm giảm độ phân tập do thiếu độ dư thừa xuyên suốt các anten Điều này dẫn tới lỗi ở đường truyền làm ảnh hưởng đến tính năng hoạt động và có thể giảm lưu lượng, đặc biệt là tại SNR thấp Do đó, trong hệ thống thực tế cần phải cân nhắc giữa phân tập và ghép kênh không gian

Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng một cải tiến đơn giản cho ghép kênh không gian đó là tiền mã hoá/giải mã không gian-thời gian tuyến tính, trong đó số anten phát nhiều hơn số phân luồng dữ liệu Độ dư này cho phép mã hoá xuyên suốt các phân luồng và giúp máy phát thích nghi có thể tối ưu hoá việc phân bổ dữ liệu và công suất phát cho những anten BS khác nhau

Tại giai đoạn tiền mã hoá, các phân luồng dữ liệu song song được ghép một cách hợp lý nhờ ma trận tiền mã hoá là các hàm của kênh MIMO ma trận, do vậy cần có kiến thức về kênh của bộ phát Giải mã thực hiện bằng cách nhân vector tín hiệu thu được với các ma trận giải mã, sau đó là phân chia symbol Máy phát có thể biết thông tin về kênh bằng thông tin phản hồi trong hệ thống FDD hoặc phép giao hoán trong hệ thống TDD Ngay cả trong hệ thống FDD, tổng số phản hồi cần có trong

hệ thống có tính di động thấp là 10 đến 50 kb/s (tuỳ thuộc vào kênh và độ phân giải được sử dụng), không đáng kể so với độ tăng ích đạt được nhờ sử dụng kết hợp phân tập và ghép kênh không gian

Hình 1.4 : Thông lượng cực đại của STBC và ghép kênh không gian với tiền mã

hóa Hình 1.4 so sánh thông lượng có thể đạt được của STBC với ghép kênh không gian sử dụng tiền mã hoá MMSE, theo các cấu hình anten khác nhau Với STBC, đang được hỗ trợ bởi 802.16d, thì tốc độ dữ liệu tăng dần theo SNR Để ghép kênh không gian dùng tiền mã hoá, người ta mô phỏng 3 cấu hình anten, mỗi cấu hình có

2 phân luồng dữ liệu Kết quả thật đáng khích lệ, ghép kênh không gian sử dụng tiền mã hoá giúp tăng đáng kể thông lượng thực sự bằng kỹ thuật STBC, nhờ vào thực tế là 2 phân luồng này được ghép và phát đồng thời Lưu ý rằng hệ thống 3x3 làm tốt hơn hệ thống 4x2 chút ít Điều này có nghĩa là chỉ cần 2 anten tại phía SS, tốc độ số liệu được nhân đôi một cách đáng tin cậy trong cơ chế mà SNR ở mức độ

từ trung bình đến cao nếu tại BS có 4 anten Trong hình 5, thông lượng của toàn hệ thống được trình bày với các cấu hình MIMO khác nhau trong hệ thống 802.16d nâng cấp Một hệ thống MIMO 3x3 có thông lượng trung bình là 12 Mb/s, gần 3 lần hệ thống 802.16 d cơ bản với 2 anten phát và 1 anten thu, do vậy cải thiện đáng

kể hiệu quả phổ tần Do lưu lượng trên mỗi anten ở hệ thống 3x3 cao hơn ở 2x1 nên chi phí thêm cho anten có thể được bù trừ

Mã khối không gian thời gian (2Tx 1Rx)

Mã khối không gian thời gian (2Tx 2Rx)

Mã khối không gian thời gian (4x2) MIMO (Bộ ghép kênh không gian 3Tx 2Rx cấp 2) MIMO (Bộ ghép kênh không gian 3Tx 3Rx cấp 2) MIMO (Bộ ghép kênh không gian 4Tx 2Rx cấp 2)

1.2.10 ARQ lai ghép

Khi dữ liệu được truyền theo gói (PDU của MAC) thì sử dụng cơ chế yêu cầu lặp tự động (ARQ) để truyền thông tin được tin cậy Kỹ thuật ARQ lai ghép (HARQ) sử dụng mã kiểm soát lỗi kết hợp với kỹ thuật phát lại để truyền các gói

trong HARQ, các lần phát lại sau đó được kèm với lần phát trước để cải thiện độ tin cậy của thông tin

Gần đây, tiêu chuẩn 802.16d sử dụng kỹ thuật ngẫu nhiên hoá dữ liệu trong đó các bit thông tin được trộn theo từng bit sử dụng trình tự giả tạp nhiễu (PN) Vì trình tự ngẫu nhiên này sẽ thay đổi theo từng lần truyền dẫn nên không thể kết hợp các từ mã Để sử dụng HARQ thì trình tự ngẫu nhiên phải được khởi động để phát lại hoặc là việc ngẫu nhiên hoá dữ liệu phải được thực hiện ở tầng MAC, để đảm bảo rằng mỗi MAC PDU được phát dùng chung một từ mã Các điều tra ban đầu cho thấy ở chế độ SNR thấp (dưới 4-5 dB) thì HARQ giúp tăng đáng kể tốc độ dữ liệu, cũng giúp tăng vùng phủ sóng của hệ thống

1.2.11 Loại bỏ can nhiễu

Một vấn đề lớn trong các hệ thống 802.16 đó là phải truyền được dữ liệu tốc độ cao với độ tin cậy tới những người sử dụng nằm tại vị trí rìa của cell đó Vấn đề này trở nên cấp bách hơn trong các hệ thống tế bào thông thường vì tốc độ di chuyển thấp, người sử dụng sẽ ở vị trí đó không biết đến lúc nào Một phương án

để giải quyết vấn đề này là chế tạo một máy thu loại bỏ nhiễu với độ phức tạp thấp cho SS Một khái niệm tương tự cũng được áp dụng cho các hệ thống GSM và cho phép lưu lượng cao hơn nhiều và cải thiện tính năng hoạt động ở rìa cell bằng cách

mới để loại bỏ can nhiễu đa sóng mang cho các hệ thống 802.16 theo cái cách mà không làm tăng độ phức tạp của các máy đầu cuối rất nhạy cảm về giá cả và công suất

1.2.12 Các sóng mang con thích nghi/ sự cấp phát công suất

Mặc dù kênh 802.16 là lựa chọn tần số, gần đây các sóng mang con bị ép buộc chỉ mang cùng một kiểu điều chế Điều này đã được chứng minh trong cả lý thuyết và thực tế, đặc biệt là trong các hệ thống DSL, việc điều chế và tải cho sóng mang con thích nghi làm tăng đáng kể dung lượng các hệ thống đa sóng mang Có thể đạt được nhiều lợi ích hơn trong một hệ thống OFDM nhiều người

sử dụng trong đó nhiều người sử dụng khác nhau để dành các sóng mang con khác nhau vì các kênh của những người sử dụng khác nhau là độc lập với nhau

Cụ thể trong một hệ thống 802.11a có 4 người sử dụng với các kênh độc lập, thông lượng trung bình đạt được là 100% khi sử dụng thuật toán tải nhiều người

sử dụng với độ phức tạp rất thấp mà cho phép các hệ số khá cân bằng so với các tốc độ khác nhau của người sử dụng Nhân tố chính để ngăn chặn OFDM nhiều người sử dụng khỏi ảnh hưởng đến hệ thống 802.16 là yêu cầu hiểu biết về kênh tại máy phát Tuy nhiên, như đã nói ở trên, cần phải có một số phản hồi ở mức hạn chế để ghép kênh không gian, giúp tăng dung lượng lên 2 lần Nếu kỹ thuật OFDM nhiều người sử dụng với độ phức tạp thấp có thể tận dụng cùng một phản hồi thì có thể tăng hai lần dung lượng của WiMax

1.2.13 Kết luận

Phần này khái quát các khía cạnh của tiêu chuẩn IEEE 802.16 và chứng minh các tính năng có thể có cho các hệ thống vô tuyến băng rộng dựa theo tiêu chuẩn 802.16 Tóm lại với các hệ thống 802.16d nhiều cell, có hệ số sử dụng tần số phổ biến, thì lưu lượng đường xuống trung bình tổng cộng có thể đạt được mức 3 đến

7 Mb/s trên băng tần 5 MHz, với các tốc độ thấp hơn tương ứng để chỉ dùng 1 anten thu duy nhất và các tế bào 3 sector, và tốc độ cao hơn cho cell có 2 anten thu và 6 sector Một cell thông thường có thể với đường kính vài km và có khoảng 25 % diện tích không đạt được tốc độ dữ liệu trên 1,5 Mb/s cho người sử dụng 1 anten Mặt khác nếu tính đến mô hình 2 anten thu và cell có 6 sector thì diện tích này được thu hẹp bớt 2% Do tốc độ số liệu tổng phải được chia cho mọi

người sử dụng trong cell ngay cả khi các tốc độ này quá thấp để hấp dẫn thị trường mà phân bổ băng tần hợp lý

Để cải thiện tính năng hoạt động của các tiêu chuẩn 802.16 hiện thời, chúng tôi

để xuất 4 lĩnh vực chính để phát triển trong tương lai, các cải tiến này được tổng kết trong bảng 1.2

Hình 1.5 Lưu lượng trung bình trên mỗi sóng mang 5 MHz của hệ thống

802.16d đã cải tiến

Để tăng tốc độ số liệu lên gấp 4 lần, người ta khuyến nghị rằng nên sử dụng kết hợp ghép kênh không gian và OFDM nhiều người sử dụng để tối ưu hoá thông lượng Muốn cải thiện vùng phủ sóng và độ mạnh tín hiệu của hệ thống thì cần phải loại bỏ can nhiễu, cùng với sử dụng ARQ lai ghép Sử dụng đồng thời các công nghệ này có thể tăng đáng kể thông lượng và sức mạnh của hệ thống WiMax trong tương lai

1.3 So sánh giữa WiMax và Wi-Fi

Sự khác nhau cơ bản nhất giữa WiMax và Wi-Fi là chúng được thiết kế cho các ứng dụng hoàn toàn khác nhau Wi-Fi là một công nghệ mạng vùng nội hạt LAN được thiết kế để tăng thêm tính di động cho các mạng LAN hữu tuyến riêng WiMax một mặt khác được thiết kế để cung cấp một dịch vụ truy nhập không dây

Mã khối không gian thời gian (2Tx 1Rx) Mã khối không gian thời gian (2Tx 2Rx) MIMO với hồi tiếp kênh (3Tx 2Rx)

MIMO với hồi tiếp kênh (3Tx 3Rx)

băng rộng BWA cho mạng vùng thành thị MAN Vì thế trong khi Wi-Fi hỗ trợ truyền dẫn trong phạm vị một vài trăm mét thì WiMax có thể hỗ trợ các người dùng

ở trong bán kính tới hàng chục kilômét

Bên cạnh sự khác nhau về phạm vi truyền dẫn, một số cải thiện về công nghệ liên kết vô tuyến là khác nhau giữa WiMax và Wi-Fi Chuẩn IEEE 802.11 WLAN miêu tả bốn giao diện liên kết vô tuyến hoạt động trong băng tần vô tuyến không cấp phép 2.4 hoặc 5GHz Các chuẩn WiMax bao gồm một dải rộng hơn các bổ sung tiềm năng để giải quyết các yêu cầu của các sóng mang khắp thế giới Các băng tần WiMax sử dụng cả băng tần cấp phép và không cấp phép trong dải từ 2-11GHz

Trong các băng tần không cấp phép, các chuẩn WiMax kết hợp đặc điểm lựa chọn tần số động ở những nơi mà sóng vô tuyến tự động tìm kiếm một kênh chưa

sử dụng Trong các vùng ở xa, nhiễu có thể được giảm thiểu

Trong khi với WiMax thì kênh đường lên và đường xuống sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDD và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần

số FDD Trong TDD với khe thời gian được ấn định cho đường lên và đường xuống tách biệt nhau vì thế kênh truyền là song công toàn phần Trong khi giảm tốc độ truyền là 50% thì các hệ thống này chỉ sử dụng một nửa băng tần vô tuyến

so với FDD

Đối với Wi-Fi thì các hệ thống Wi-Fi là các hệ thống TDD trên cơ sở tranh chấp nơi mà điểm truy nhập và các trạm sử dụng chung một kênh Bởi vì hoạt động môi trường dùng chung nên tất cả mạng Wi-Fi là bán song công Wi-Fi sử dụng hai công nghệ tuyền dẫn vô tuyến cơ bản

được gọi là khóa mã bổ sung (CCK) Sau đó luồng bít được xử lý với mã đặc biệt và sau đó được điều chế sử dụng Khóa chuyển pha cầu phương (QPSK)

mang sử dụng BPSK, QPSK hay một trong hai kiểu 16-QAM, 64-QAM Một

số thông tin được phát là không cần thiết, vì thế đầu thu không phải nhận tất

cả các sóng mang con để khôi phục thông tin

WiMax sử dụng công nghệ OFDM và OFDMA cho lớp vật lý để làm tăng quy

mô và tốc độ cho mạng

Cả WiMax và Wi-Fi đều sử dụng điều chế thích ứng và nhiều mức FEC để tối

ưu hóa tốc độ truyền và hiệu suất lỗi Khi một tín hiệu vô tuyến giảm công suất thì hay có nhiễu dẫn đến tỷ lệ lỗi sẽ tăng Điều chế thích ứng có nghĩa là đầu phát sẽ tự động thay đổi để hiệu suất tăng lên hay thậm chí giảm đi

Cơ chế hiệu chỉnh lỗi trước FEC nhằm khắc phục bớt lỗi và cải thiện hiệu năng truyền dẫn Tuy nhiên lúc đầu Wi-Fi với chuẩn 802.11b chưa có FEC nhưng FEC

mã xoắn đã được kết hợp trong 802.11a và 802.11g WiMax sử dụng cả hai hệ thống FEC mã xoắn và Reed-Solomon

Bên cạnh đó WiMax được hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến hiện đại như các anten thông minh có thể làm giảm thiểu nhiễu và nâng cao tốc độ truyền Kết hợp với tính đa dạng đầu phát, đa dạng đầu thu MIMO để cải thiện phạm vi bao phủ Tốc độ truyền dữ liệu được hỗ trợ cho WiMax là rất cao, lên tới 100Mbps trong một kênh 20MHz, trong đó tốc độ được duy trì là 70Mbps Đối với Wi-Fi, tốc độ truyền được hỗ trợ tối đa chỉ đạt 54Mbps

Lớp MAC của WiMax và Wi-Fi hoàn toàn khác nhau Đối với WiMax thì giao thức lớp MAC có thể chia sẻ kênh vô tuyến giữa hàng trăm người dùng trong khi vẫn đảm bảo QoS, WiMax sử dụng kỹ thuật yêu cầu/cấp phát loại trừ các tranh chấp đường lên hỗ trợ trễ nhất quán cho thoại và trễ biến đối cho các dịch vụ dữ liệu Giao thức MAC của WiMax cũng có đặc điểm sửa lỗi sử dụng yêu cầu truyền lại tự động ARQ Ngược lại trong Wi-Fi thì giao thức lớp MAC trên cơ sở tranh chấp Giao thức MAC của Wi-Fi được gọi là đa truy nhập cảm ứng sóng mang và tránh xung đột (CSMA/CA) Trong khi WLAN là bán song công chia sẻ môi truờng, tất cả các trạm sẽ phát và thu trên cùng một kênh vô tuyến Vấn đề cơ bản

là các trạm không thể lắng nghe khi đang gửi và vì thế không thể phát hiện xung đột

Vì thế một kỹ thuật đã được hỗ trợ cho Wi-Fi gọi là chức năng điều khiển phân tán (DCF-Distributed Control Function) Nền tảng kỹ thuật cơ bản là định nghĩa một hệ thống của các khoảng thời gian đợi và các bộ đếm thời gian lùi để giảm nhưng không hủy bỏ các xung đột Một trạm Wi-Fi sẽ chỉ phát nếu nó cho rằng kênh rỗi Tất cả việc truyền dẫn được xác nhận, vì thế nếu trạm gốc không được xác nhận, nó cho rằng xung đột đã xảy ra và thử lại sau một khoảng thời gian đợi ngẫu nhiên Tác động của xung đột sẽ gia tăng khi lưu lượng tăng lên hay đang trong tình trạng trạm di động không thể lắng nghe các trạm khác (vấn đề node ẩn) Trong mạng WiMax, giao thức yêu cầu/chấp nhận được hỗ trợ Truy nhập đường lên sẽ được điều khiển bởi trạm gốc Các người dùng muốn truyền đường lên đầu tiên phải gửi các yêu cầu trên một kênh truy nhập trên cơ sở tranh chấp Cho phép dành riêng để dùng kênh đường lên sau đó được cấp phát bởi trạm gốc sử dụng một hệ thống chấp nhận Chỉ có một trạm gốc được cho phép gửi trong một thời điểm, như vậy không có xung đột đường lên

Do các lợi ích mà giao thức yêu cầu/chấp nhận mang lại nên WiMax hỗ trợ nhiều mức QoS Kỹ thuật truy nhập của WiMax có thể hỗ trợ bốn loại dịch vụ cơ bản Trong Wi-Fi thì chuẩn 802.16e có hỗ trợ QoS Có hai kiểu hoạt động được sử dụng để cải thiện các dịch vụ thoại:

o Mở rộng đa môi trường Wi-Fi WME (Wi-Fi Multimedia Extensions)

WME sử dụng một giao thức được gọi là truy nhập điều khiển phân tán nâng cao EDCA (Enhanced Distributed Control Access) là một phiên bản cải tiến của DCF EDCA định nghĩa 8 mức ưu tiên truy nhập cho kênh vô tuyến chia sẻ Giống như DCF ban đầu, truy nhập EDCA là một giao thức trên cơ sở tranh chấp mà sử dụng một khoảng thời gian đợi và các bộ đếm thời gian lùi để tránh xung đột Tuy nhiên, với DCF tất cả trạm sử dụng cùng một giá trị và do đó có cùng độ ưu tiên cho việc phát trên kênh truyền Với EDCA mỗi độ ưu tiên truy nhập khác nhau được ấn định một khoảng thời gian đợi và bộ đếm lùi khác nhau Truyền dẫn với độ ưu tiên truy nhập cao hơn được gán khoảng thời gian ngắn hơn Chuẩn cũng bao gồm một kiểu

packet-bursting cho phép một điểm truy nhập hay một trạm di động dự trữ kênh và gửi 3 đến 5 gói theo tuần tự

EDCA không có kỹ thuật để phân phát dịch vụ trễ nhất quán Nó chỉ đảm bảo truyền thoại sẽ đợi ít hơn truyền dữ liệu Trễ nhất quán chính xác có thể được cung cấp với tùy chọn WSM WSM hoạt động gần giống chức năng điều khiển điểm PCF (Point Control Fuction) Trong WSM, điểm truy nhập theo định kỳ quảng bá một bản tin điều khiển bắt buộc tất cả các trạm phải xử lý kênh khi bận và không cố gắng để truyền Trong chu kỳ đó, điểm truy nhập kiểm soát vòng mỗi trạm được định nghĩa dịch vụ cảm biến với thời gian Để sử dụng VSM, thiết bị đầu tiên phải gửi một tham số lưu lượng miêu tả các yêu cầu băng thông, trễ và jitter Nếu điểm truy nhập không có đủ tài nguyên để đáp ứng tham số lưu lượng, nó gửi lại một tín hiệu bận Nguyên nhân mà WSM là một đặc điểm tùy chọn là tất cả các điểm truy nhập có thể gửi lại một thông báo dịch vụ chưa sẵn sàng tới các yêu cầu tham số của trạm gốc

Đặc điểm kỹ

thuật

Băng tần cấp phép và không cấp phép

Lớp MAC trên cơ sở tranh chấp

Hệ thống anten thông thường

Hỗ trợ cho hàng ngàn người dùng

Hỗ trợ truyền theo LOS và NLOS theo kiến trúc điểm-đa điểm và cả kiểu mắt lưới

vào loại dịch vụ Dung sai trễ đa đường lên tới 10ms

Không hỗ trợ QoS Dung sai trễ đa đường bé 0.8ms

Mã xoắn

Bảng 1.3: So sánh giữa Wi-Fi và Wi-Max

Về bảo mật, điểm khác nhau chính giữa WiMax và Wi-Fi là riêng tư hay khả năng để bảo vệ các truyền dẫn không bị lấy trộm Bảo mật là một trong các thiếu sót quan trọng trong Wi-Fi, mặc dù các hệ thống mật mã hóa tốt hơn là có sẵn Trong Wi-Fi, mật mã hóa là tùy chọn, và có ba dòng công nghệ khác nhau được định nghĩa:

o Wired Equivalent Privacy (WEP): mật mã hóa 104 bit hoặc 40 bit trên cơ

sở RC4 với khóa tĩnh

o Wi-Fi Protected Access (WPA): Một chuẩn mới sử dụng khóa WEP 104 hoặc 40 bit nhưng thay đổi khóa trên mỗi gói để cản trở những kẻ trộm khóa Giao thức chuyển khóa được gọi là giao thức toàn vẹn khóa theo thời gian TKIP (Temporal Key Integrity Protocol)

o IEEE 802.11i/WPA2: Chuẩn này dựa trên công nghệ mật mã hóa mạnh được gọi là chuẩn mật mã nâng cao AES (Advanced Encryption Standard)

Mật mã trong WiMax ban đầu là chuẩn mật mã số 3DES Sau đó kết hợp với chuẩn mật mã nâng cao AES và đảm bảo tính bảo mật cao

Về tính di động trong WiMax và Wi-Fi cũng có những khác biệt Trong khi chuẩn 802.16 của WiMax được thiết kế cho truy nhập băng rộng di động đảm bảo tốc độ cao và chuyển giao không gián đoạn, đảm bảo tốc độ di chuyển của phương tiện giao thông Với Wi-Fi tính di động bị hạn chế và chỉ đảm bảo cho việc di chuyển tốc độ thấp

CHƯƠNG II - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THỰC THI CỦA MOBILE WIMAX

sử dụng băng thông Trong khi CP thực sự làm giảm một phần hiệu quả băng thông thì tác động của CP tương tự như hệ số “Roll-off” trong các hệ thống sóng mang đơn được lọc cosine nâng Do OFDM có phổ rất nhọn, gần như là bức tường gạch,

nên một phần lớn của băng tần kênh đã phân bổ có thể được tận dụng để truyền số liệu, giúp bù đắp lại hiệu quả băng thông do sử dụng tiền tố vòng

Hình 2.2: Việc chèn tiền tố vòng OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá và xen thông tin trên các sóng mang con trước lúc phát Điều chế OFDM được thực hiện bằng thuật toán biến đổi ngược Fourie nhanh -IFFT, cho phép một lượng lớn sóng mang con (lên tới 2048) bớt phức tạp hơn Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên

có sẵn trong miền thời gian chính là các ký hiệu (symbol) OFDM và trong miền tần

số chính là các sóng mang con Tài nguyên về thời gian và tần số có thể được bố trí vào các kênh con để phân bổ tới từng người sử dụng riêng biệt OFDMA là một kỹ thuật đa truy nhập/ghép kênh cho phép ghép kênh các luồng dữ liệu từ nhiều người

sử dụng trên các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường lên nhờ các kênh con đường lên

2.1.2 Cấu trúc symbol OFDMA và kênh con hóa

Cấu trúc symbol OFDMA gồm 3 loại sóng mang con như trên hình 2.3

- Sóng mang con của dữ liệu dành cho truyền dữ liệu

- Sóng mang con dẫn đường để tính toán và đồng bộ

- Sóng mang con không (null) mang thông tin, không truyền đi, dùng để bảo

vệ băng tần và các sóng mang DC