Công nghệ WiMAX và ứng dụng

Một bổ sung cho IEEE 802.16d đã được khởi thảo với tên gọi là 802.16e hoàn thành vào cuối năm 2005 WiMAX Forum định nghĩa các hồ sơ trên cơ sở sử dụng các tùy chọn khả dụng của 802.16 đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời của WiMAX/IEEE 802.16 đã khởi đầu một thời đại mới của truy nhập không dây băng rộng WiMAX/IEEE 802.16 cung cấp truy nhập không dây và di động băng rộng cho các dịch vụ dựa trên IP Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng có các công nghệ khác nhau của các nhà quản lý khác nhau và cung cấp băng thông rộng trong các vùng xa xôi

Mục tiêu của đồ án này là nghiên cứu các tiêu chuẩn 802.16 của công nghệ WiMAX trong đó tập trung lên WiMAX di động Đó là những nội dung căn bản nhất của công nghệ Wimax

Đồ án bao gồm 5 chương

Chương 1: Tổng quan về họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 và WiMAX Forum

Nội dung chương này giới thiệu về họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 gồm 802.16c định nghĩa các hồ sơ cho các ứng dụng điển hình, 802.16a, bao gồm các tăng cường cho điều khiển, đưa ra chế độ lưới và hỗ trợ các tần số bổ sung Đồng thời các sửa đổi

bổ sung này đưa vào truyền dẫn trong dải 2 GHz đến 10 GHz, truyền dẫn không trực

xạ và các dịch vụ cấp phép và miễn phép Sửa đổi chính được công bố vào năm 2004 ở dạng tiêu chuẩn IEEE 802.16d hay IEEE 802.16-2004 Chuẩn này kết hợp và hoàn thiện chuẩn 802.16, sửa đổi bổ sung 802.16c và IEE.16a Một bổ sung cho IEEE 802.16d đã được khởi thảo với tên gọi là 802.16e (hoàn thành vào cuối năm 2005)

WiMAX Forum định nghĩa các hồ sơ trên cơ sở sử dụng các tùy chọn khả dụng của 802.16 để cấp phát chứng nhận cho các sản phẩm và định nghĩa các cơ chế bổ sung cho việc kết nối mạng

Chương 2: Giao diện vô tuyến cho các hệ thống không dây băng rộng cố định của WiMAX

Nội dung chương này trình bày toàn bộ phần giao diện vô tuyến của Wimax cố định

Chương 3: Lớp MAC của WiMAX di động

Nội dung chương này trình bày về lớp MAC Nhiệm vụ chính của lớp MAC (Medium Access Control) là quản lý các tài nguyên vô tuyến của giao diện vô tuyến một cách hiệu quả

Chương 4: Mô hình lớp vật lí của WiMAX di động và các tính năng tiên tiến của nó

Nội dung chương này trình bày về lớp vật lí của Wimax, gồm lớp vật lí

sử dụng:

 Đơn sóng mang

 OFDM

 OFDMA

Chương 5: Một số ứng dụng của Wimax

Nội dung chương này trình bày một số ứng dụng cơ bản của Wimax

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Minh Tuấn đã giúp đỡ

tôi hoàn thành đồ án này

MỤC LỤC

Chương 1

TỔNG QUAN HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.16 VÀ WIMAX FORUM 14

1.1 TỔNG QUAN HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.16 14

1.2 WiMAX FORUM 16

1.3 WiMAX DI ĐỘNG 17

1.4 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM WiMAX 19

1.5 KẾT LUẬN 20

Chương 2 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CHO CÁC HỆ THỐNG KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG CỐ ĐỊNH CỦA WIMAX 21

2.1 MỞ ĐẦU 21

2.2 MÔ HÌNH THAM KHẢO 21

2.3 TỔNG QUAN CÁC TÍNH NĂNG LỚP MAC 21

2.4 TỔNG QUAN CÁC TÍNH NĂNG LỚP VẬT LÝ, PHY 23

2.4.1 Băng tần 23

2.4.1.1 Băng tần cấp phép 10-66 MHz 23

2.4.1.2 Các tần số thấp hơn 11 MHz 23

2.4.1.3 Các tần số miễn phép dưới 11 MHz (chủ yếu là 5-6MHz) 23

2.4.2 Kỹ thuật ghép song công 23

2.4.2.1 Ghép song công phân chia theo tần số, FDD 24

2.4.2.2 Ghép song công phân chia theo thời gian, TDD 24

2.5 CÁC TÙY CHỌN 25

2.5.1 Hệ thống anten thích ứng, AAS 25

2.5.2 Mã hóa không gian thời gian, STC 28

2.5.3 Phát lại tự động, ARQ 28

2.5.4 Cấu hình điểm đa điểm và lưới 28

2.6 TỔNG KẾT CÁC ĐẶC TẢ GIAO DIỆN VÔ TUYẾN KHÁC NHAU TRONG IEEE 802.16e – 2005 CHO TRUY NHẬP CỐ ĐỊNH 29

2.7 WIRELESSMAN OFDM 30

2.7.1 Tổng quan các tính năng của WirelessMAN OFDM 30

2.7.2 Cấu trúc khung 32

2.7.3 Cấu trúc lớp vật lý WirelessMAN OFDM 34

2.7.3.1 Các thông số WirelessMAN OFDM 34

2.7.3.2 Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM 35

2.7 4 Mô tả các khối 38

2.7.4.1 Ngẫu nhiên hóa, PBRS 38

2.7.4.2 Khối mã hóa kênh 38

2.7.4.3 Bộ đan xen/ giải đan xen 40

2.7.4.4 Điều chế/ giải điều chế 40

2.7.4.5 IFFT và FFT 42

2.7.4.6 Bộ ước tính kênh và cân bằng 43

2.8 WirelessMAN OFDMA 45

2.8.1 Mô tả ký hiệu OFDMA, các thông số ký hiệu và tín hiệu phát 45

2.8.2 Sắp xếp kênh con và khe OFDMA 47

2.8.3 Ấn định các sóng mang con OFDMA 48

2.8.4 Sắp xếp kênh con đường xuống 49

2.8.4.1 Cấu trúc ký hiệu cho FUSC 49

2.8.4.2 Cấu trúc ký hiệu đường xuống PUSC 50

2.8.4.3 Cấu trúc ký hiệu đường xuống TUSC1 và TUSC2 52

2.8.5 Cấu trúc ký hiệu đường lên PUSC 52

2.8.6 Khe OFDMA và vùng số liệu 53

2.8.7 Sắp xếp số liệu OFDMA 54

2.8.8 Cấu trúc khung PMP 57

2.9 TỔNG KẾT 58

Chương 3 LỚP MAC CỦA WIMAX DI DỘNG 60

3.1 MỞ ĐẦU 60

3.2 CẤU TRÚC LỚP MAC 61

3.3 LỚP CON PHẦN CHUNG CỦA MAC (MAC CPS) 63

3.3.1 Khuôn dạng MACPDU 63

3.3.2 Các dịch vụ MAC 65

3.3.2.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QOS) 65

3.3.2.2 Dịch vụ lập biểu MAC 67

3.3.2.3 Cơ chế yêu cầu và ấn định băng thông 69

3.3.3 Quản lý công suất và di động 71

3.3.3.1 Quản lý công suất 71

3.3.3.2 Chuyển giao 71

3.3.4 An ninh 73

3.4 TỔNG KẾT 74

Chương 4

MÔ HÌNH LỚP VẬT LÝ VÀ CÁC TÍNH NĂNG TIÊN TIẾN CỦA WIMAX DI DỘNG76

4.1 MỞ ĐẦU 76

4.2 OFDMA KHẢ ĐỊNH CỠ 78

4.3 CẤU TRÚC KÝ HIỆU OFDM 81

4.4 SẮP XẾP KÊNH CON 81

4.4.1 Sắp xếp kênh con sử dụng toàn bộ đường xuống (FUSC: Down Link Fully Used Channelization) 83

4.4.2 Sắp xếp kênh con sử dụng một phần (PUSC: Partially Used Subchannelization) 84

4.4.3 Sắp xếp AMC 85

4.5 ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HÓA 86

4.6 CÁC CÔNG NGHỆ ANTEN THÔNG MINH 89

4.7 CẤU TRÚC KHUNG TDD 92

4.8 CÁC TÍNH NĂNG TĂNG CƯỜNG KHÁC CỦA LỚP VẬT LÝ 96

4.9 CÁC TÍNH NĂNG TIÊN TIẾN CỦA WiMAX 96

4.9.1 Tái sử dụng tần số một phần 96

4.9.2 Dịch vụ đa phương và quảng bá (MBS) 98

4.10 QUỸ ĐƯỜNG TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG WiMAX DI ĐỘNG 99

4.10.1 Các thông số của hệ thống WiMAX di động 99

4.10.2 Quỹ đường truyền WiMAX 102

4.11 THÔNG TIN BỔ SUNG VÀ ĐỘ TIN CẬY MAP CỦA WiMAX DI ĐỘNG 106

4.12 PHỔ TẦN CỦA WiMAX 108

4.13 TỔNG KẾT 109

Chương 5 ỨNG DỤNG CỦA WIMAX 110

5.1 GIỚI THIỆU 110

5.1.1 Ứng dụng cho mạng không dây 110

5.1.2 Ứng dụng trong y học 111

5.1.3 Hệ thống bảo mật 111

5.1.4 Kết nối mạng ngân hàng 112

5.1.5 VoIP 113

5.1.6 Truy nhập tới nhà 114

5.1.7 Kết luận 116

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu hình topo của WMAN 14

Hình 1.2 Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX 20

Hình 2.1 Mô hình tham khảo ngăn xếp giao thức của 802.16 22

Hình 2.3 Cấu trúc khung TDD 25

Hình 2.4 Vùng AAS, FDD 26

Hình 2.5 Vùng AAS, TDD 27

Hình 2.6 Nguyên lý STC 28

Hình 2.7 Điều chế thích ứng trong lớp vật lý 32

Hình 2.8 Cấu trúc khung OFDM đường xuống 33

Hình 2.9 Cấu trúc khung OFDM đường lên 34

Hình 2.10 Tiền tố dài đường xuống 34

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM 36

Hình 2.12 Sơ đồ khối băng gốc của máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM 37

Hình 2.13 Bộ ngẫu nhiên hóa 38

Hình 2.14 Bộ mã hóa xoắn 39

Hình 2.15 Các chùm tín hiệu điều chê BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 42

Hình 2.16 Cấu trúc thời gian của ký hiệu OFDM 46

Hình 2.17 Mô tả miền tần số OFDMA (ba kênh) 47

Hình 2.18 Cấu trúc truyền dẫn cơ sở đường xuống 49

Hình 2.19 Cấu trúc ký hiệu đường xuống cho đoạn 0 trên ký hiệu số 1 sử dụng FUSC 50

Hình 2.20 Cấu trúc cụm 51

Hình 2.21 Mô tả lát đường lên 53

Hình 2.22 Thí dụ về vùng số liệu trong ấn định OFDM 54

Hình 2.23 Thí dụ về sắp xếp các khe OFDMA vào các kênh con và các ký hiệu trên đường xuống (trong chế độ PUSC) 55

Hình 2.24 Thí dụ về sắp xếp các khe OFDMA vào các kênh con và các ký hiệu cho đường lên 56

Hình 2.25 Thí dụ về cấu trúc khung theo thời gian TDD (vùng bắt buộc) 58

Hình 2.26 Khung OFDM có nhiều vùng 58

Hình 3.1 Chế độ PMP trong các mạng 802.16 60

Hình 3.2 Chế độ mạng 802.16 hỗ hợp 61

Hình 3.3 Cấu trúc lớp MAC của WiMAX 62

Hình 3.4 Khuôn dạng MACPDU 64

Hình 3.5 Hỗ trợ QoS của WiMAX di động 66

Hình 3.6 Quá trình chuyển giao 73

Hình 4.1 Cấu trúc lớp vật lý của S-OFDMA của WiMAX 80

Hình 4.2 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 81

Hình 4.3 Cấu hình sóng mang con cho 1024-FFT OFDMA DL FUSC 83

Hình 4.4 Các cấu trúc DL PUSC và UL PUSC 85

Hình 4.5 Các cấu hình kênh con đựơc tổ chức theo BIN trong AMC 86

Hình 4.6 Chuyển mạch thích ứng cho các chế độ MIMO 91

Hình 4.7 Cấu trúc khung OFDMA TDD (chỉ cho vùng bắt buộc) 93

Hình 4.8 Cấu trúc khung đa vùng 97

Hình 4.9 Tái sử dụng tần số một phần 98

Hình 4.10 Hỗ trợ MBS nhúng bằng các vùng MBS 99

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng hiệu năng kênh điều khiển cho kênh mô hình truyền sóng TU (thành phố điển hình) [7,8] 107

Hình 4.12 Cụm MAP con 107

Hình 5.1 Kiến trúc mạng di động sử dụng T1 như là luồng truyền dẫn giữa các MSC 110

Hình 5.2 Ứng dụng y tế 111

Hình 5.3 Kiến trúc Wimax cho ứng dụng bảo mật 112

Hình 5.4 Kiến trúc Wimax cho hoạt động giám sát 112

Hình 5.5 Kết nối Wimax cho hệ thống ngân hàng 113

Hình 5.6 Kiến trúc hệ thống VoIP đơn giản 114

Hình 5.7 Mạch vòng nội hạt trong mạng PSTN 115

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.2 Các loại ứng dụng cho hệ thống dựa trên 802.16e 18

Bảng 2.1 Các đặc tả giao diện vô tuyến 29

Bảng 2.2 Các tính năng của WirelessMAN OFDM 31

Bảng 2.3 Các thông số chính WirelessMAN OFDM 35

Bảng 2.4 Thí dụ về đặt kênh cho các băng cấp phép 45

Bảng 2.5 Các thông số của một ký hiệu 49

Bảng 2.6 Ấn định sóng mang con đường xuống OFDM-PUSC 50

Bảng 2.7 Các thông số của một ký hiệu 52

Bảng 3.1 Các trường trong tiêu đề MAC PDU 64

Bảng 3.2 QoS và các ứng dụng của WiMAX 66

Bảng 3.3 Các tùy chọn lập biểu dịch vụ 68

Bảng 4.1 Các ứng dụng của WiMAX 77

Bảng 4.2 Các thông số cuả S-OFDMA 79

Bảng 4.3 Các cấu hình kênh FUSC cơ sở 83

Bảng 4.4 Các dạng điều chế và mã hóa được sử dụng ở lớp vật lý 87

Bảng 4.5 Tốc độ số liệu vật lý cho các kênh con PUSC 87

Bảng 4.6 Các tính năng tùy chọn anten tiên tiến 90

Bảng 4.7 Các tốc độ số liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO khác nhau (cho kênh 10 MHz, khung 5ms, kênh con PUSC, 44 ký hiệu OFDM số liệu) 91

Bảng 4.8 Các thông số hệ thống WiMAX di động 101

Bảng 4.9 Các thông số OFDMA 101

Bảng 4.10 Mô hình truyền sóng 102

Bảng 4.11 Quỹ đường truyền DL cho Mibile WiMAX 103

Bảng 4.12 Quỹ đường truyền UL cho WiMAX di động 104

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

A

A-MIMO Adaptive Multiple Input Multiple

Output

Đa đầu vào đa đầu ra thích ứng

B

C

CINR Carrier to Interference +Noise Ratio Tỉ số sóng mang trên nhiễu cộng tạp

âm

CSTD Cyclic Shift Transmit Diversity Phân tập phát dịch tuần hoàn

D

DOCSIS Data Over Cable Service Interface Đặc tả giao diện dịch vụ dữ liệu qua

Specification cáp

E

EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức nhận thực khả

mở rộng EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power Công suất bức xạ đẳng hướng tương

đương

F

số

G

H

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động ai ghép HiperMAN High Performance Metropolitan

Area Network

Mạng vùng đô thị hiệu năng cao

I

IETF Internet Engineering Task Force Lực lượng đặc trách kĩ thuật Internet

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

L

M

N

thẳng)

nrtPS Non-Real-Time Polling Service Dịch vụ tham dò phi thời gian thực

PKM Public Key Management Quản lí khoá công cộng

Q

R

RTG Receiver/Transmit Transition Gap Khoảng trống để chuyển thu sang

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

S-OFDMA Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiplex Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao khả định cỡ

SSRTG SS Receive /Transmit Transit Gap Khoảng thời gian chuyển đổi

SSTRG SS Transmit/Receive Transit Gap Khoảng thời gian chuyển đổi mát

sang thu của SS

T

gian

TTG Transmit/receive Transition Gap Khoảng trổng chuyển phát sang thu

U

UMTS Universal Mobile Telephone System Hệ thống viễn thông di động toàn

cầu

V

W

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng tương hợp toàn cầu đối với truy nhập vi ba

Chương 1 TỔNG QUAN HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.16 VÀ WIMAX FORUM

1.1 TỔNG QUAN HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.16

Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 (giao diện vô tuyến mạng vùng đô thị không dây) cho truy nhập băng rộng (BWA: Broadband Wireless Access) cung cấp công nghệ truy nhập "km cuối cùng" cho các điểm nóng với dịch vụ số liệu, video, và thoại tốc độ cao Ưu điểm nổi bật nhất của BWA là giá thành lắp đặt và bảo dưỡng thấp so với truy nhập mạng cáp đồng và cáp quang nhất là đối với vùng xa xôi nơi khó lắp đặt mạng truy nhập hữu tuyến BWA có thể mở rộng mạng cáp quang và cung cấp dung lượng cao hơn mạng cáp đồng hay đường dây thuê bao số (DSL: Digital Subsscriber Line) Mạng không dây này được lắp đặt rất nhanh bằng cách đặt trạm gốc (BS: Base Station) trên tòa nhà cao tầng hoặc trên các cột để tạo nên hệ thống truy nhập không dây tốc độ cao Hình 1.1 cho thấy cấu hình của mạng WMAN

Trạm gốc Văn phòng nhỏ

Biệt thự

Bộ lặp Trạm gốc

Công xưởng

Mạng lõi

Chung

cư

Hình 1.1 Cấu hình topo của WMAN

Thành viên đầu tiên của họ BWA là chuẩn IEEE 802.16 Chuẩn này được dự thảo đầu tiên vào 12/2001 và phiên bản cuối cùng được công bố 8/ 4/2002 Băng tần

công tác của chuẩn này là 10-66 GHz, với truyền sóng trực xạ Cấu hình topo của chuẩn này dựa trên mạng điểm đa điểm trong đó lưu lượng được truyền giữa một trạm gốc BS (Base Station) và nhiều trạm thuê bao SS (Subscriber Station) Tiêu chuẩn

IEEE 802.16 được công bố vào 9/2001, với tiêu đề "Đồng tồn tại với các hệ thống truy nhập băng rộng không dây cố định" cũng bao phủ 10-66GHz Tiêu chuẩn 802.16.c

"Các hồ sơ chi tiết cho 10-66 GHz" được dự thảo đầu tiên vào 24/5/2002 và phiên bản

cuối cùng được phát hành vào 15/1/2003

Việc sửa đổi bổ sung này đã cập nhật và mà mở rộng điều khoản 12 của tiêu chuẩn IEEE 802.16 2001 liên quan đến hồ sơ về tập tính năng và chức năng áp dụng cho các trường hợp thực hiện triển khai điển hình Tuy nhiên, do BWA ngày càng được sử dụng nhiều cho các vùng dân cư, nên truyền trực xạ không con thích hợp do địa hình và cây cối Ngoài ra, nhiễu đa đường truyền và giá thành lắp đặt anten ngoài trời cao Vì thế, cần sửa đổi bổ sung cho chuẩn 802.16 hiện hữu Đây là lý do ra đời tiêu chuẩn 802.16a được ban hành vào 1/4/2003 Chuẩn này bao hàm sửa đổi lớp MAC (Media Access Control) và nhiều đặc tả lớp vật lý cho cả băng tần cấp phép và miễn phép Một sửa đổi đáng kể của lớp MAC là các chế độ lưới tùy chọn Điểm khác biệt giữa chế độ điểm đa điểm (PMP) và lưới là: trong chế độ PMP lưu lượng chỉ xẩy

ra giữa BS và các SS, còn trong chế độ lưới lưu lượng có thể định tuyến qua các SS khác và có thể trực tiếp giữa các SS Ưu điểm của chế độ này là hoạt động vẫn được đảm bảo ngay cả khi có chướng ngại lớn như núi đồi chặn đường truyền trực xạ giữa

SS và BS Các SS bị chặn này có thể kết nối gián tiếp đến BS thông qua các SS khác Một thay đổi đáng kể nữa của lớp MAC là hỗ trợ nhiều đặc tả lớp vật lý, trong đó mỗi đặc tả phù hợp cho một môi trường khai thác đặc thù Trong chuẩn 802.16a ba cấu trúc lớp vật lý (PHY) được định nghĩa: SC (Single Carrier: đơn sóng mang), 256-OFDM và 2048-OFDMA

Chuẩn IEEE 802.16-2004 được công bố vào năm 2004 đã hợp nhất và sửa đổi các chuẩn 802.16- 2001, 802.16c và 802.16a thành bộ chuẩn chung Trong đó 802.16-

2001 cho hoạt động trong dải tần từ 10- 66 GHz trực xạ trước đây có tên mới trong chuẩn này là WirelessMAN 802.16-SC, còn 802.16a cho băng tần dưới 11 GHz không trực xạ có ba chế độ lớp vật lý với ba tên mới sau đây: WirelessMAN 802.16-SCa, WirelessMAN 802.16-OFDM và WirelessMAN 802.16-OFDMA

Cả 802.16 và 802.16a đều được sử dụng cho truy nhâp không dây băng rộng cố định Trên cơ sở chuẩn 802.16a, nhóm công tác IEEE 802.16e xây dựng chuẩn

802.16e gồm "các lớp vật lý và MAC cho khai thác cố định và di động trong băng tần cấp phép" Trong chuẩn này tính di động được bổ sung cho SS trước đây chỉ hỗ trợ kết

nối mạng cố định trong các băng tần từ 2 đến 6GHz Bảng 1.1 so sánh các tính năng của các chuẩn 802.16, 802.16a và 802.16e

Bảng 1.1 So sánh các chuẩn IEEE 802.16, 16a, 16e

OFDMA khả định cỡ, BPSK, QPSK, 16-QAM, 64QAM

Tính di động Cố định Cố định Di rời, xách tay, di động Băng thông

kênh

1,75 đến 20 MHz

Khả định cỡ: 1,25; 5; 10; 20 MHz

1.2 WiMAX FORUM

Chuẩn IEEE 802.16 đã được phát triển nhiều năm với sự tham gia của nhiều nhà công nghiệp Tuy nhiên, chuẩn này quá rộng và việc hợp chuẩn IEEE 802.16 chưa đảm bảo được thiết bị của một nhà cung cấp sẽ tương hợp với thiết bị của nhà cung cấp khác WiMAX Forum, tổ chức phi lợi nhuận bao gồm trên 350 thành viên, tiếp nhận công việc mà IEEE để lại Trong số các thành viên của WiMAX Forum có nhà cung cấp dịch vụ, nhà cung cấp thiết bị, nhà sản xuất bán dẫn và thiết bị WiMAX cũng cộng tác với HiperMAN, nhóm công tác trong trong Ủy ban kỹ thuật của ETSI BRAN Việc hợp tác này dẫn đến sự hài hòa hoàn toàn giữa ETSI HiperMAN và IEEE 802.16, được thể hiện ở tài liệu bổ sung 802.16e và các chuẩn tương tác: PHY (TS 102

177v.1.6.1) và DLC (TS 102.178v.1.6.1) Hoạt động khởi thảo của các tiêu chuẩn đo kiểm được dùng trong quá trình kiểm tra của WiMAX Forum đã được thực hiện với sự cộng tác chặt chẽ của ETSI BRAN HiperMAN, nhóm công tác WiMAX Forum và nhóm công tác chứng nhận WiMAX Forum Với nhiều thành viên khác nhau, đại diện toàn thế giới và sự cộng tác của ETSI, WiMAX Forum đã sẵn sàng cổ vũ việc tiếp nhận toàn cầu và hài hòa giải pháp vô tuyến băng rộng được chuẩn hóa dựa trên chuẩn

vô tuyến IEEE 802.16 đảm bảo được tính tương tác Để đạt được mục đích này, Forum định nghĩa hiệu năng hệ thống và hồ sơ chứng nhận bao gồm tập con chuẩn IEEE 802.16 với tính năng bắt buộc và tùy chọn cùng với một bộ đo kiểm tính tương tác và hợp chuẩn để kiểm tra thiết bị và đảm bảo tính tương tác của nhiều nhà cung cấp Vì thế nhãn chứng nhận WiMAX đảm bảo cả sự hợp chuẩn WiMAX 802.16 lẫn tính tương tác Các phương tiện đo kiểm cấp chứng nhận đầu tiên được thiết lập tại Cetecom Labs ở Malaga, Tây Ban Nha tháng 7 năm 2005 và các sản phẩm được cấp chứng nhận WiMAX trên chuẩn 802.16-2004 đã bắt đầu xuất hiện trên thị trường Các phương tiện cấp chứng nhận bổ sung cũng sẽ được thiết lập để để tạo điều kiện cho quá trình cấp chứng nhận và đáp ứng các yêu cầu bổ sung cho quá trình đo kiểm cấp chứng nhận cho 802.16e cho ứng dụng di động Các nhóm công tác cấp chứng nhận và

kỹ thuật của WiMAX Forum đang nghiên cứu để cấp chứng nhận sản phẩm WiMAX

di động sẽ bắt đầu đưa ra vào quý 4 năm 2006 đến giữa năm 2007 Kỳ vọng rằng sẽ có nhiều sự tham gia của các thành viên hệ thống, các đối tác và nhu cầu về các sản phẩm 802.16e sẽ tăng, giá thành trên một thuê bao sẽ giảm trong 2 -3 năm tiếp theo

1.3 WiMAX DI ĐỘNG

WiMAX di động được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.16e là một giải pháp không dây băng rộng cho phép hội tụ mạng di động và cố định thông qua một công nghệ vô tuyến băng rộng vùng rộng chung và kiến trúc mạng linh hoạt Giao diện vô tuyến của WiMAX di động tiếp nhận đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện hiệu năng cho môi trường truyền dẫn không trực xạ S- OFDMA (OFDMA khả định cỡ) được đưa vào 802.16e để hỗ trợ băng thông khả định

cỡ từ 1,25 đến 20 MHz Nhóm kỹ thuật di động (MTG) trong WiMAX Forum đã phát triển hồ sơ hệ thống WiMAX di dộng để định nghĩa tính năng bắt buộc và tùy chọn của chuẩn IEEE Các tính năng này cần thiết để xây dựng giao diện vô tuyến hợp chuẩn với chứng nhận của WiMAX Forum Hồ sơ hệ thống WiMAX di động cho phép lập cấu hình hệ thống di động dựa trên tập tính năng cơ sở chung để đảm bảo hoạt động tương hợp cho thiết bị đầu cuối và trạm gốc Một số phần tử của hồ sơ trạm gốc được đặc tả tùy chọn để đảm bảo tính linh hoạt khi triển khai trong các trường hợp đặc

biệt đòi hỏi cấu hình khác (chẳng hạn như tối ưu hóa dung lượng hoặc vùng phủ) Phát hành 1 của hồ sơ WiMAX di động sẽ bao phủ các băng thông 5; 7; 8.75; 10 MHz cho các ấn định phổ tần trong các băng cấp phép: 2,3 GHz; 2,5 GHz; 3,3 GHz và 3,5 GHz

WiMAX Forum đã định nghĩa một số ứng dụng cho hệ thống sử dụng 802.16e

và nghiên cứu mô hình lưu lượng và ứng dụng cho chúng, chúng Các ứng dụng này được chia thành năm loại, chúng được tổng kết trong bảng 1.2 dưới đây cùng với các thông số trễ và jitter để đảm bảo chất lượng người sử dụng

Bảng 1.2 Các loại ứng dụng cho hệ thống dựa trên 802.16e

5 kbps đến 2 Mbps

dung phương tiện

Các hệ thống WiMAX di động hỗ trợ khả năng định cỡ trong cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng Một số tính năng được WiMAX di động hỗ trợ là:

1 Tốc độ số liệu cao: Bao gồm cả kết hợp kỹ thuật anten MIMO với sơ đồ phân

kênh con linh hoạt Mã hóa và điều chế tiên tiến cho phép WiMAX di động hỗ

trợ tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 63 Mbps trên đoạn ô và tốc độ số liệu đỉnh đường lên lên đến 28 Mbps trên đoạn ô trong kênh 10 MHz

2 Chất lượng dịch vụ (QoS): Điểm căn bản của kiến trúc IEEE 802.16 MAC là

QoS Nó định nghĩa các luồng dịch vụ nhằm sắp đặt chúng lên các điểm mã DiffServ hoặc các nhãn MPLS để truyền IP đầu cuối đầu cuối theo QoS Ngoài

ra việc phân chia kênh con và sơ đồ báo hiệu dựa trên MAP cũng tạo ra cơ chế linh hoạt để lập biểu tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện vô tuyến theo từng khung

3 Khả định cỡ: Việc phân bổ tài nguyên tần số cho thông tin không dây băng

rộng rất khác nhau Vì thế công nghệ WiMAX di động phải được thiết kế để có thể định cỡ theo các kênh khác nhau có băng thông từ 1,25 MHz đến 20 MHz

4 An ninh: WiMAX di động sẽ đảm bảo tính năng an ninh tốt nhất với: nhận

thực dựa trên EAP (Extensible Authentication Protocol: giao thức nhận thực khả mở rộng), mật mã hóa với nhận thực dựa trên AES-CCM, CMAC và HMAC dựa trên sơ đồ bảo vệ bản tin điều khiển Hỗ trợ tập chứng nhận người

sử dụng khác nhau bao gồm: SIM/USIM, thẻ thông minh, chứng nhận số và các

sơ đồ tên người sử dụng/ mật khẩu dựa trên cá phương pháp EAP cho kiểu chứng nhận

5 Di động: WiMAX di động hỗ trợ sơ đồ chuyển giao tối ưu với trễ thấp hơn 50

ms để đảm bảo ứng dụng thời gian thực như VoIP Các sơ đồ quản lý khóa linh hoạt đảm bảo an ninh trong quá trình chuyển giao

1.4 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM WiMAX

Phòng thí nghiệm kiểm định cấp chứng nhận cho các hệ thống WiMAX cố định

đã được thiết lập tại tại Cetecoms Labs tại Malaga, Tây Ban Nha vào tháng 7 năm

2005 và hiện nay sản phẩm hợp chuẩn WiMAX cho dịch vụ cố định đã khả dụng và đã được triển khai trong băng 3,5 GHz (băng tần cấp phép) và 5,8GHz (băng tần không cần cấp phép) Phòng thí nghiệm cấp chứng nhận thứ hai, TTA đã được thiết lập tại Hàn Quốc Cả hai phòng thí nghiệm cấp chứng nhận theo chuẩn của phát hành 1 WiMAX di động vào quý ba năm 2006 nhằm triển khai sản phẩm có chứng nhận WiMAX di động vào cuối năm 2006

WiMAX di động thường xuyên xem xét các hồ sơ chuẩn hiệu năng WiMAX di động bổ sung dựa trên khả năng của thị trường Các chuẩn này đề cập các băng tần khác nhau, các băng thông kênh và các giải pháp FDD để phù hợp với yêu cầu luật địa

phương trong thị trường được chọn Hình 1.2 cho thấy lộ trình phát triển sản phẩm chuẩn WiMAX

Các hồ sơ WiMAX Kiểm tra cấp chứng nhận 2,3 GHz 2,5 GHz 3,5 GHz

Triển khai các dịch vụ di động theo chuẩn WiMAX di động/802.16e

Các hồ sơ phát hành 1

Các hồ sơ WiMAX di dộng khác: Băng tần, băng thông kênh, FDD (tùy theo thị trường

Triển khi các dịch vụ cố định di rời không dây theo chuẩn WiMAX cố

nó trong việc tương hợp toàn cầu các thiết bị dựa trên chuẩn mở của IEEE 802.16

Chương 2 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CHO CÁC HỆ THỐNG KHÔNG DÂY

BĂNG RỘNG CỐ ĐỊNH CỦA WIMAX

2.1 MỞ ĐẦU

IEEE 802.16-2004 đặc tả giao diện vô tuyến cho các hệ thống truy nhập không dây băng rộng (BWA) hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện cho mạng vùng Lớp MAC trước hết hỗ trợ kiến trúc điểm đa điểm cùng với cấu hình topo lưới tùy chọn MAC được cấu trúc để hỗ trợ nhiều dạng lớp vật lý, trong đó mỗi dạng lớp vật lý phù hợp cho một môi trường cụ thể Đối với các tần số trong trong dải tần từ 10-66 GHz, để đảm bảo truyền sóng trực xạ lớp vật lý WirelessMAN-SC PHY (điều chế đơn sóng mang) được đặc tả Đối với các tần số trong dải tần thấp hơn 11 GHz, để đảm bảo truyền sóng không trực xạ (NLOS), ba lớp vật lý được đặc tả: WirelessMAN-OFDM, WirelessMAN- OFDMA và WirelessMAN -SCa (điều chế đơn sóng mang) Chuẩn này sửa đổi và thống nhất các chuẩn IEEE-802.16-2001, IEEE-802.16a-2003 và IEEE 802.16c-2002 Chuẩn IEEE 802.16 e-2005 sửa đổi và bổ sung các chuẩn trước đó và bao hàm cả các dịch vụ truy nhập không dây cố định và di động WiMAX chỉ đề cập đến các dịch vụ truy nhập không dây dược trên WirelessMAN-OFDM, WirelessMAN- OFDMA Trong phần này ta sẽ xét các giao diện vô tuyến cho truy nhập không dây cố định cuả WiMAX

2.2 MÔ HÌNH THAM KHẢO

Hình 2.1 cho thấy mô hình tham khảo giao diện vô tuyến của chuẩn IEEE 802.16e-2005

2.3 TỔNG QUAN CÁC TÍNH NĂNG LỚP MAC

MAC bao gồm ba lớp con: (i) lớp con hội tụ đặc thù dịch vụ (CS: Convergence Sublayer); (ii) lớp con phần chung của MAC (MAC CPS); (iii) lớp con an ninh

Lớp con hội tụ đặc thù dịch vụ (CS): đảm bảo chuyển đổi các số liệu nhận từ

mạng ngoài qua điểm truy nhập dịch vụ CS (CS SAP) vào các MAC SDU (đơn vị số liệu dịch vụ MAC) và cung cấp chúng cho lớp con phần chung của MAC qua điểm truy nhập dịch vụ MAC(MAC SAP) MAC SDU gồm: các đơn vị số liệu dịch vụ (SDU) từ mạng ngoài, nhận dạng luồng dịch vụ (SFID: Service Flow Identifier) MAC

và nhận dạng kết nối (CID: Connection Identifier) Nó có thể có cả chức năng nén tiêu

đề tải tin (PHS: Payload Header Supression) Nhiều đặc tả CS được đưa ra để cho phép giao tiếp với các giao thức khác nhau Khuôn dạng bên trong của tải tin CS là duy nhất đối với CS và MAC CPS không cần biết khuôn dạng này hay bất kỳ thông tin nào về tải trọng CS

Lớp vật lý (PHY) Lớp con an ninh

Lớp con phần chung của MAC

Thực thể quản lý Lớp con phần chung của MAC

Thực thể quản lý PHY

Phạm vi của tiêu chuẩn

Mặt phẳng số liệu/điều khiển Mặt phẳng quản lý

Ký hiệu:

SAP: Service Access Point: điểm truy nhâp dịch vụ MAC: Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường

CS: Convergence Sublayer: lớp con hội tụ CPS: Common Part Sublayer: lớp con phần chung PHY: Physical: lớp vật lý

Hình 2.1 Mô hình tham khảo ngăn xếp giao thức của 802.16

Lớp con MAC CPS: cung cấp chức năng MAC lõi của hệ thống truy nhập như:

cấp phát băng thông, thiết lập kết nối và duy trì kết nối Nó nhận số liệu từ các CS khác nhau thông qua MAC SAP (được phân loại cho từng kết nối cụ thể) Áp dụng QoS cho truyền dẫn và lập biểu số liệu đưa đến lớp vật lý

Lớp con an ninh: MAC cũng chứa một lớp con an ninh riêng để đảm bảo nhận

thực, trao đổi khóa và mật mã

2.4 TỔNG QUAN CÁC TÍNH NĂNG LỚP VẬT LÝ, PHY

vô tuyến điều chế đơn sóng mang được đặc tả trong chuẩn giao diện vô tuyến

"WirelessMAN-SC"

2.4.1.2 Các tần số thấp hơn 11 MHz

Các tần số thấp hơn 11 MHz được sử dụng trong môi trường vật lý, trong đó do bước sóng dài, nên LOS không đáng kể và chủ yếu là NLOS Để có thể hỗ trợ các trường hợp cận trực xạ và không trực xạ (NLOS), lớp vật lý phải có chức năng bổ sung như: các kỹ thuật quản lý công suất tiên tiến, loại bỏ nhiễu, hoặc đồng tồn tại nhiễu và

đa anten

Tại đây một số tính năng được bổ sung cho MAC như: cấu hình lưới và yêu cầu

tự động phát lại (ARQ: Automatic Repeat Request)

2.4.1.3 Các tần số miễn phép dưới 11 MHz (chủ yếu là 5-6MHz)

Môi trường vật lý các băng tần miễn phép dưới 11 MHz tương tự như môi trường cho các băng tần miễn phép trong dải tần này Tuy nhiên bản chất của miễn phép là gây thêm nhiễu và các vấn đề đồng tồn tại, đồng thời các quy định cũng hạn chế công suất được phép phát xạ Ngoài các tính năng như đã trình bày trong 2.2.2, lớp PHY và MAC trong trường hợp này còn có thêm tính năng chọn tần số động (DFS: Dynamic Frequency Selection) để phát hiện và tránh lỗi

2.4.2 Kỹ thuật ghép song công

Giao thức MAC hỗ trợ một số kỹ thuật ghép song công cho PHY Việc lựa chọn kỹ thuật ghép song công ảnh hưởng lên một số thông số PHY cũng như các tính năng có thể được hỗ trợ

2.4.2.1 Ghép song công phân chia theo tần số, FDD

Trong hệ thống FDD, kênh đường lên và đường xuống được ấn định tần số riêng, và số liệu đường xuống có thể truyền theo cụm Khung có độ dài cố định được

sử dụng cho cả đường xuống và đường lên Điều này cho phép sử dụng các kiểu điều chế khác nhau Ngoài ra nó cũng cho phép các trạm thuê bao (SS: Subscriber Station)

sử dụng chế độ phát song công (phát thu đồng thời) và bán song công (phát thu không đồng thời) ở dạng tùy chọn Trong chế độ bán song công, bộ điều khiển băng thông không cấp phát băng thông đường lên cho SS khi nó thu số liệu trên kênh đường xuống, bao gồm cả trễ truyền lan, khoảng thời gian chuyển đổi từ phát sang thu của SS (SSTTG)và chuyển đổi từ thu sang phát của SS (SSRTG)

Hình 2.2 cho thấy việc ấn định băng thông FDD theo cụm Việc kênh đường lên

và đường xuống đều sử dụng khung có độ dài cố định làm đơn giản giải thuật ấn định băng thông SS song công có thể liên tục đợi thu từ kênh đường xuống trong khi đó SS bán song công chỉ có thể thu từ kênh đường xuống khi nó không phát trên đường lên

SS song công

SS bán song công 1

SS bán song công 2

Hình 2.2 Ấn định băng thông FDD theo cụm

2.4.2.2 Ghép song công phân chia theo thời gian, TDD

Trong trường hợp TDD, truyền dẫn đường xuống và đường lên xẩy ra trong các thời gian khác nhau và cùng sử dụng chung một tần số Khung TDD (xem hình 2.3) có

độ dài cố định và chứa một khung con đường xuống và một khung con đường lên Để thuận tiện cho việc phân chia băng thông, các khung này được chia thành một số nguyên lần các PS (Physical Slot: khe vật lý) Việc ấn định khung TDD thay đổi (thích ứng) với sự thay đổi ấn định băng thông đường xuống so với ấn định băng thông đường lên Phân chia đường xuống và đường lên là một thông số hệ thống và được điều khiển bởi các lớp trên trong hệ thống

n=(Tốc độ x thời gian khung)/4

số lượng phần tử anten Điều này đạt được nhờ việc lái các tia đến các người sử dụng khác nhau nhờ vậy có thể đạt được thừa số tái sử dụng tần số giữa các ô bằng một và nội ô tỷ lệ với số phần tử anten Ngoài ra cũng tăng được tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhờ việc kết hợp tương quan các tín hiệu và có khả năng điều khiển độ lợi này cho các người sử dụng cụ thể Một lợi ích nữa là giảm được nhiễu nhờ việc lái các hướng phát

xạ bằng không đến đến các các nguồn nhiễu đồng kênh Kết hợp các lợi ích do tăng độ lợi SNR của một số người sử dụng và lái phát xạ không cho phép có thể phát đồng thời các cụm đến các SS nằm cách nhau trong không gian Cũng có thể áp dụng phương

pháp này cho đường lên một cách tương hỗ Việc truyền đồng thời các cụm không chỉ tăng vùng phủ của hệ thống mà có thể tăng dung lương hệ thống

Việc thiết kế tùy chọn AAS (Adaptive Antenna System: hệ thống anten thích ứng) cung cấp cơ chế chuyển từ một hệ thống không AAS đến một hệ thống cho phép ASS, trong đó thay thế ban đầu BS không có AAS bằng BS có AAS sẽ làm mất dịch

vụ của các SS không có khả năng AAS

Để tránh điều này cần dành một phần khung cho lưu lượng không AAS và một phần khung cho lưu lượng AAS Việc ấn định được thực hiện động bởi BS Các SS không AAS sẽ bỏ qua lưu lượng AAS Để nhận ra lưu lượng này chúng sử dụng các bản tin DL MAP và UL MAP (sắp xếp đường lên và đường xuống)

Phần AAS của khung đường xuống được bắt đầu bằng một tiền tố đặc thù AAS như cho trên hình 2.4 và 2.5

Hình 2.4 Vùng AAS, FDD

Hình 2.5 Vùng AAS, TDD

2.5.2 Mã hóa không gian thời gian, STC

STC (sơ đồ Alamouti) có thể được sử dụng cho đường xuống để cung cấp phân tập phát (không gian) bậc hai Hai anten phát được sử dụng tại BS và một anten thu được sử dụng tại SS Sơ đồ này đòi hỏi ước tính kênh MISO (Multi Input Single Output: nhiều đầu vào một đầu ra) Hai anten phát phát đồng thời hai ký hiệu số liệu OFDM khác nhau Bộ giải mã phía thu sẽ thực hiện giải mã sau khi nhận được cả hai

ký hiệu này từ mỗi anten Trong sơ đồ này mỗi ký hiệu được phát lặp theo thời gian trên hai anten khác nhau

Hình 2.6 cho thấy vị trí của STC trong chuỗi truyền dẫn OFDM Mỗi anten phát

có một chuỗi truyền dẫn OFDM riêng, nhưng chúng có cùng bộ dao động nội cho mục đích đồng bộ

Điều chế

kênh con

Đóng gói đầu vào

phân tập phát

Bộ giải điều chế kênh con

Lấy Log

tỷ lệ khả giống

Bộ giải mã

BS

SS

Hình 2.6 Nguyên lý STC

2.5.3 Phát lại tự động, ARQ

Cơ chế ARQ (Automatic Repeat Request) là một bộ phận của MAC, nó được

sử dụng như một tùy chọn Khi ARQ được cài đặt, nó được cho phép theo từng kết nối ARQ sẽ được đặc tả và đàm phán trong quá trình tạo lập kết nối Một kết nối không thể có hỗn hợp cả lưu lượng ARQ và lưu lượng không ARQ

2.5.4 Cấu hình điểm đa điểm và lưới

WiMAX cố định cho phép hỗ trợ cả hai cấu hình điểm đa điểm (PMP: Point to Multipoint) và lưới (Mesh), trong đó cấu hình PMP là bắt buộc

1 Cấu hình bắt buộc điểm đa điểm, PMP

Trong chuẩn IEEE 802.16e-2005 cho các hệ thống không dây cố định, cấu hình điểm đa điểm (PMP) là bắt buộc Trong cấu hình này, đường xuống từ BS đến các SS làm việc trên cơ sở điểm đa điểm Đường truyền vô tuyến của IEEE 802.16e-2005 làm việc với một BS trung tâm có anten phân đoạn để có thể xử lý đồng thời nhiều đoạn ô Trong một kênh tần số cho trước và một đoạn ô cho trước, tất cả các SS nhận được cùng một truyền dẫn BS chỉ là máy phát phát theo hướng này, vì thế nó chỉ việc phát

mà không phối hợp với các SS khác trừ việc phân chia thời gian cho đường lên và đường xuống trong TDD Nói chung đường xuống phát quảng bá Trong trường hợp bản tin sắp xếp đường xuống (DL MAP) không chỉ thị một đoạn khung con đường xuống cho một SS cụ thể, thì tất cả các SS có thể thu đoạn khung con này đều sẽ thu Các SS sẽ kiểm tra CID (Connection Identifier: nhận dạng kết nối) của các PDU (Protocol Data Unit) thu được và sẽ chỉ nhận các PDU gửi cho nó

2 Cấu hình lưới, Mesh

Khác biệt chính giữa chế độ PMP và chế độ lưới là trong chế độ PMP, lưu lượng chỉ xẩy ra giữa BS và các SS, còn trong chế độ lưới (Mesh) lưu lượng có thể được định tuyến qua các SS khác và có thể xẩy ra giữa các SS Phụ thuộc vào giải thuật cuả giao thức truyền dẫn được sử dụng, điều này có thể được thực hiện trên cơ sở bình đẳng khi sử dụng lập biểu phân bố hoặc trên cơ sở ưu tiên của Mesh BS

Trong một mạng Mesh, một hệ thống có kết nối trực tiếp đến các dịch vụ đường trục ra bên ngoài mạng Mesh đựơc gọi là Mesh BS Tất cả các hệ thông khác của mạng Mesh đều được gọi là Mesh SS Nói chung, các hệ thống của mạng Mesh được gọi là các nút Trong ngữ cảnh Mesh, các đường lên và đường xuống được định nghĩa

là lưu lượng trong hướng đến Mesh BS và và ngược lại

2.6 TỔNG KẾT CÁC ĐẶC TẢ GIAO DIỆN VÔ TUYẾN KHÁC NHAU TRONG IEEE 802.16e – 2005 CHO TRUY NHẬP CỐ ĐỊNH

Bảng 2.1 tổng kết các đặc tả giao diện vô tuyến khác nhau trong chuẩn IEEE 802.16 e cho truy nhập cố định

Bảng 2.1 Các đặc tả giao diện vô tuyến Tên đặc tả Ứng dụng Yêu cầu

lớp MAC

Các tùy chọn

Kỹ thuật ghép song

lưới STC

TDD FDD

TDD FDD

WirelessHUMAN* Các băng tần miễn

TDD

* HUMAN: High Speed Unlicensed Metropolitan Network: Mạng đô thị miễn

phép tốc độ cao

** AAS: Adaptive Antenna System: Hệ thống anten thích ứng

***ARQ: Automatic Repeat Request: Yêu cầu phát lại tự động

****STC: Space Time Coding: Mã không gian thời gian

Vì WiMAX chỉ đề cập đến OFDM và OFDMA nên trong các phần dưới đây ta

sẽ xét WirelessMAN OFDM và WirelessMAN OFDMA

2.7 WIRELESSMAN OFDM

2.7.1 Tổng quan các tính năng của WirelessMAN OFDM

Băng tần công tác cần thiết cho WirelessMAN OFDM là 2-11GHz, vì không thể đảm bảo truyền không trực xạ (NLOS: Non Line of Sight) trong băng tần cao hơn Bảng 2.2 cho thấy các tính năng chính của lớp vật lý (PHY) của IEEE 802.16e -2005 cho hệ thống không dây cố định

Bảng 2.2 Các tính năng của WirelessMAN OFDM

ngoài trời Điều chế và thay đổi mã sửa lỗi thích

ứng theo từng cụm sóng vô tuyến

Đảm bảo đường truyền vô tuyến bền vững nhưng vẫn duy trì tốc độ bit cực đại cho từng thuê bao

Thiết kế để hỗ trợ các hệ thống an ten

thích ứng (tạo búp) và STC

Các hệ thống này càng khả dụng và giá thành ngáy càng rẻ Chúng cho phép giảm nhiễu, tăng độ lợi hệ thống và sẽ trở nên quan trong khi triển khai BWA

Việc sử dụng nhiều điểm FFT trong WirelessMAN OFDM hơn trong 802.11a (256 so với 64) cho phép mở rộng thời gian một ký hiệu và vì thế khả năng chịu đựng trễ đa đường lớn hơn đối với hoạt động NLOS cự ly xa

Để đảm bảo tính bền vững và thông lượng cực đai, các sơ đồ điều chế thích ứng được sử dụng trong chuẩn WirelessMAN OFDM: QPSK, 16QAM, 64 QAM Khi điều kện kênh tốt, điều chế 64QAM tốc độ số liệu cao được lựa chọn, trái lại khi điều kiện kênh kém điều chế QPSK tốc độ số liệu thấp hơn được lựa chọn (hình 2.7)

sử dụng

2.7.2 Cấu trúc khung

Hệ thống sử dụng khung có độ dài 0,5; 1 hay 2 ms Mỗi khung được chia thành các khe vật lý (PS: Physical Slot) để ấn định băng thông và nhận dạng sự chuyển đổi lớp vật lý Lớp vật lý OFDM hỗ trợ ba phương án ghép song công: FDD, TDD và HFDD Mỗi khung bao gồm một khung con đường xuống và một khung con đường lên Trong phương án FDD khung con đường xuống và đường lên được truyền trong toàn bộ thời gian khung nhưng ở hai tần số khác nhau Trong phương án TDD, khung con đường lên được truyền tiếp sau khung con đường xuống trong cùng một thời gian khung trên cùng một sóng mang, giữa khai khung con này có một khoảng bảo vệ để tránh chồng lấn do đồng bộ không tốt Mỗi khung chứa các PDU (Protocol Data Unit: đơn vị số liệu giao thức) lớp vật lý, các khoảng trống và các khoảng bảo vệ

Cấu trúc khung con đường xuống và đường lên của OFDM được cho trên hình 2.8 và 2.9

Khung con đường xuống chỉ chứa một PDU đường xuống Khung con đường lên chứa các khoảng va chạm (tranh chấp) được lập biểu cho định cự ly khởi đầu, để yêu cầu

băng thông và một hay nhiều PDU lớp vật lý đường lên từ các SS khác nhau PDU lớp vật lý đường xuống bắt đầu bằng một tiền tố dài sử dụng cho đồng bộ lớp vật lý Sau tiền tố này là cụm FCH (Frame Control Header: tiêu đề điều khiển khung) Cụm FCH

có độ dài một ký hiệu OFDM được phát bằng cách điều chế BPSK với sơ đồ mã hóa kênh tỷ lệ mã 1/2 FCH chứa DLFP (DL Frame Prefix:tiền tố khung đường xuống) để đặc tả hồ sơ cụm và độ dài của một hay nhiều cum đường xuống tiếp sau FCH Bản tin DL-MAP (sắp xếp đường xuống) (nếu được truyền trong khung này) sẽ là PDU của lớp MAC đầu tiên tiếp sau FCH Sau DL-MAP (nếu được truyền) là UL-MAP (sắp xếp đường xuống) Tiếp theo UL-MAP là UCD (mô tả kênh đường lên) và DCD (mô

tả kênh đường xuống) nếu các mô tả này đựơc truyền Mặc dù cụm 1 chứa thông tin quảng bá, nhưng không nhất thiết phải sử dụng điều chế và mã hóa chắc chắn nhất Có thể sử dụng sơ đồ điều chế mã hóa hiệu suất nhất cho tấtcả các SS của BS

Các cụm đường xuống sau FCH được truyền với các hồ sơ cụm khác nhau Mỗi cụm chứa một số nguyên các ký hiệu OFDM Vị trí và hồ sơ cụm thứ nhất được đặc tả trong DLFP Vị trí và hồ sơ của các cụm tiếp theo đựơc đặc tả trong DL-MAP đựơc phát quảng bá trong cụm 1

Khung n-1 - Khung n Khung n+1 Khung n+2

DL: Downlink: đường xuống MAC: Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường PDU: Protocol Data Unit: đơn vị số liệu giao thức

DL-MAP: sắp xếp đường xuống UL-MAP: sắp xếp đường lên DCD: Downlink Channel Descriptor: mô tả kênh đường xuống UCD: Uplink Channel Descritor: mô tả kênh đường lên DLFP: Downlink Frame Prefix: tiền tố đường xuống

Chứa: DL-MAP UL-MAP, DCD, UDC

Khung con đường xuống

Hình 2.8 Cấu trúc khung OFDM đường xuống

Khung n-1 - Khung n Khung n+1 Khung n+2

Thời gian

UL: Uplink: đường lên

MAC: Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường

PDU: Protocol Data Unit: đơn vị số liệu giao thức

Khung con đường lên

Khe va chạm để định cự ly lầnđầu Khe va chạm để yêu cầu băng thông PDU lớp vật lý từ SS#1 PDU lớp vật lý từ SS#n

Tiền tố Cụm UL

MAC PDU#1 MAC PDU#n Đệm

Một cụm UL cho một PDU lớp vật

lý đựơc truyền theo điều chế và

mã hóa riêng cho từng SS

Tiêu đề MAC (6 byte) Tải tin MAC

(tùy chọn) CRC (tùy chọn)

Hình 2.9 Cấu trúc khung OFDM đường lên

DL-MAP xác định mức độ sử dụng các đoạn thời gian đường xuống cho một cụm UL-MAP xác định mức độ sử dụng đường lên được thể hiện ở dịch thời cụm so với thời điểm cấp phát ban đầu

DDC và UDC là các bản tin MAC để mô tả các đặc tính lớp vật lý của kênh đường xuống và đường lên

Tiền tố trong khung đường xuống được gọi là tiền tố dài bao gồm CP sau đó là 4x64, tiếp theo lại là một CP với 2x128 mẫu đi sau như trên hình 2.10

Hình 2.10 Tiền tố dài đường xuống

Tiền tố dài được sử dụng để đồng bộ và ước tính kênh

2.7.3 Cấu trúc lớp vật lý WirelessMAN OFDM

2.7.3.1 Các thông số WirelessMAN OFDM

Các thông số chính của WirelessMAN OFDM OFDM đựơc cho trong bảng 2.3 (cho trường hợp băng thông 3,5MHz)

Bảng 2.3 Các thông số chính WirelessMAN OFDM

Chỉ số dịch tần của các sóng mang con

bảo vệ

-128, -129, ,-101 +101, +102, , +127 Khoảng cách tần số sóng mang con

(kHz), f

15,625

Thời gian ký hiệu hữu ích (µs), TFFT 64

Khoảng bảo vệ với giả thiết 12% (µs),

TGP

8

Tỷ lệ độ dài tiền tố trên độ dài hiệu

dụng của ký hiệu OFDM (TG/TFFT)

1/4, 1/8, 1/16, 1/32

2.7.3.2 Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM

Máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM có thể được chia thành 2 phần:

phần băng gốc và phần vô tuyến (xem hình 2.11)

Luồng bit Re

Im

Máy phát vô tuyến

Máy thu vô tuyến

o

Ký hiệu:

Re: Phần thực, Im: Phần ảo, D/A: biến đổi số vào tương tự, A/D: biến đổi tương tự vào

số, IFLO: Bộ giao động nội trung tần, RF LO: Bộ giao động nội vô tuyến, Sync: Mạch đồng bộ

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM

Trước hết luồng bit tại đầu ra của MAC được đưa đến băng gốc của máy phát, sau xử lý băng gốc, luồng số được chia thành phần thực (Re) và phần ảo (Im) Sau biến đổi số và tương tự (D/A), phần thực và phần ảo đựơc biến đổi vào các sóng đồng pha và vuông góc Sóng đồng pha được nhân với sóng mang trung tần hàm cos, còn sóng vuông góc được nhân với sóng mang trung tần hàm sin Sau đó hai sóng này đựơc cộng với nhau để tạo thành sóng mang trung tần được điều chế Cuối cùng sóng này được nhân với sóng mang vô tuyến để được biến đổi nâng tần trước khi vào anten

Tại máy thu, các thao tác ngược được thực hiện theo thứ tự ngược lại Cần đảm bảo đồng bộ chính xác để đảm bảo xử lý băng gốc chính xác Cần đồng bộ tín hiệu OFDM cần thiết để phát hiện gói Đồng bộ bao gồm đồng bộ ký hiệu và đồng bộ tần

số

Phát hiện gói nhằm tìm ra vị trí đầu của gói, quá trình này được thực hiện với

sự hỗ trợ của các ký hiệu hoa tiêu (chẳng hạn các tiền tố) Có hai cách để thực hiện điều này: (1) Lấy tự tương quan tín hiệu thu, trong trường hợp này tiền tố thường bao gồm hai phần giống nhau; (2) Lấy tương quan tín hiệu thu với các tiền tố Vị trí nhận đựơc giá trị đỉnh chính là điểm đầu của gói

Các tín hiệu thu tương tự cần được lấy mẫu tại thời điểm chính xác của chu ký lấy mẫu (chu kỳ A/D)cho quá trình xử lý tín hiệu số Tuy nhiên pha và chu kỳ lấy mẫu

luôn khác nhau giữa D/A (phía phát) và A/D (phía thu) Có thể hiệu chỉnh khác biệt này bằng vòng khóa pha trễ (DPLL: Delay Phase Locked Loop) và VCO để điều chỉnh tần số A/D Vì phía thu luôn có thể xác định chính xác được vị trí cảu các hoa tiêu trên chùm tín hiệu và lấy mẫu sai chỉ dẫn đến quay chùm tín hiệu, vì thế dựa trên khoảng cách quay ta có thể tính ra được các tần số cần thiết để điều chỉnh A/D

Các hệ thống OFDM rất nhậy cảm với dịch tần vì đây là nguyên nhân dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng mang con Dịch tần được ước tính với sự hỗ trợ cuả các tiền tố vì dịch pha trên chùm tín hiệu dẫn đến dịch tần số các sóng mang con Có thể thực hiện ước tính trong cả miền thời gian lẫn miền tần số dựa trên một tiêu chuẩn thống kê nào đó, chẳng hạn khả giống cực đại Đầu ra của bộ ước tính đựơc đưa ngược trở về để điều chỉnh VCO

Cấu trúc băng gốc được trình bầy trên hình 2.12

Chèn

Kênh

Đồng bộ S/P

Loại CP

256 FFT Ước tính kênh

Cân bằng miền tần số

Tháo gỡ

kênh

Giải ngẫu nhiên

Băng gốc phát

Băng gốc thu

Hình 2.12 Sơ đồ khối băng gốc của máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM

Trước hết luồng bit từ MAC được ngẫu nhiên hóa, sau đó được mã hóa kênh để chống lại các ảnh hưởng là giảm chất lượng của kênh như: tạp âm, phađinh và nhiễu

Để tăng hiệu quả mã hóa kênh luồng số sau mã hóa kênh được đan xen Mã hóa kênh

có thể là Reed-Solomon, xoắn kết hợp chích bỏ (để điều chỉnh tốc độ bit) Mã turbo và

mã turbo xoắn (CTC) cùng với đan xen CTC cũng có thể được sử dụng ở dạng tùy chọn

Điều chế thực hiện sắp xếp tín hiệu số vào dạng tương tự để có thể truyền nó trên kênh Điều chế đựơc sử dụng là BPSK QPSK, 16QAM và 64QAM mã Gray

Điều chế OFDM bao gồm ba phần: lắp ráp khung OFDM, tạo lập tín hiệu OFDM bằng IFFT và chèn tiền tố chu trình (CP: Cyclic Prefix)

Tại phía thu ngoài các khối thực hiện thao tác ngược so với phát, ngoài ra còn

có thêm bộ cân bằng kênh Có ba dạng bộ cân bằng kênh trong miền tần số: bộ cân bằng LS được hỗ trợ bởi hoa tiêu, bộ cân bằng LMMSE với hỗ trợ hoa tiêu và bộ cân bằng LS với hỗ trợ tiền tố

Kênh truyền là kênh AWGN và phađinh Rayleigh

2.7 4 Mô tả các khối

2.7.4.1 Ngẫu nhiên hóa, PBRS

Khối đầu tiên cuả máy phát là khối ngẫu nhiên hóa Khối này được sử dụng để tránh xấy ra các chuỗi dài toàn "1" hoặc toàn "0" Các gói số liệu được ngẫu công modul-2 với một chuỗi giả ngẫu nhiên (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence: chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên) Trong chuẩn WirelessMAN OFDM, bộ ngẫu nhiên hóa là một thanh ghi dịch 15 bit có hai cổng XOR (xem hình 2.13)

Hình 2.13 Bộ ngẫu nhiên hóa

Đa thức thức tạo mã của bộ ngẫu nhiên hóa trong trường hợp này là: g(x)=x15+x+14+1 Tại khởi đầu của mỗi cụm thanh ghi dịch PRBS được xóa và được nạp bởiột chuỗi hai giống 100101010000000 Ngẫu nhiên hóa chr áp dụng cho các bit

thông tin

Tại máy thu sơ đồ này cũng đựơc sử dụng để giải ngẫu nhiên

2.7.4.2 Khối mã hóa kênh

Mã hóa kênh được thực hiện bằng cách móc nối hai mã Reed-Solomon và mã hóa xoắn có tỷ lệ tương thích (RS-CC) Hỗ trợ mã BTC (Bock Turbo Code: mã turbo khối) và CTC (Convolutional Turbo Code: mã turbo xoắn) là tùy chọn Tỷ lệ mã RS-

CC 1/2 luôn được sử dụng khi yêu cầu truy nhập mạng (trừ các chế độ phân kênh con trong đó chỉ sử dụng mã xoắn 1/2) và trong các cụm FCH

Trước hết luồng số được chia thành các khối và đưa vào bộ mã hóa RS, sau đó được đưa vào bộ mã hóa xoắn CC (Convolutional Code) với kết cuối bằng không

Mã Reed-Solomon

Vai trò của mã hóa kênh là chèn thêm các bit dư trước khi khi phát để sửa lỗi phía thu Khối đầu tiên trong mã hóa kênh là bộ mã hóa Reed-Solomon Mã Reed-Solomon là mã khối cho phép hiệu chỉnh lỗi cụm tốt Các mã này đựơc ký hiệu ở dạng (N,K,T), trong đó N là số byte đầu ra, K là số byte đầu vào và T là số byte có thể sửa lỗi được Với K byte đầu vào bộ mã hóa, ta được K byte này tại đầu ra bộ mã hóa với tiếp sau là N-K byte dư bổ sung để hiệu chỉnh lỗi Bộ mã hóa Reed-Solomon được rút

ra từ bộ mã hóa RS hệ thống chuẩn RS(N=255,K=239,T=7)

Bộ mã hóa xoắn/ giải mã Viterbi

Bộ mã hóa xoắn được trình bầy trên hình 2.14 để sửa lỗi ngẫu nhiên Bộ mã hóa xoắn này có tỷ lệ mã 1/2 và độ dài hạn chế 7

Vào số

liệu

Ra số liệu

Y X

Hình 2.14 Bộ mã hóa xoắn

Đa thức tạo mã trong trường hợp này như sau: