Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX cố định

Kỹ thuật OFDMA trong wimax cố định

Trang 1

Kỹ thuật OFDMA trong

Trang 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN WIMAX

• WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là

một mạng không dây băng thông rộng.

• WiMAX ứng dụng trong thiết bị mạng Internet dành số lượng

người sử dụng lớn thêm vào đó là giá thành rẻ.

• WiMAX được thiết kế dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802.16.

• WiMAX đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc

quản lý đầu cuối

3

Trang 4

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 các dịch vụ số liệu, video và thoại tốc độ cao.

4

Trang 5

802.16 802.16a 802.16- 2004 802.16e 802.16m

 Các chuẩn của WiMAX:

Chuẩn cơ bản.

Dự thảo đầu tiên vào tháng 12/2001, công

Hợp nhất và sửa đổi các chuẩn 802.16-

2001, 802.16c, 802.16a.

Công bố vào năm 2004.

Xây dựng trên cơ sở chuẩn

802.16a.

Công bố năm 2005.

Sửa đổi bổ sung

802.16-2004 và IEEE 802.16e- 2005.

Được đưa ra năm 2009

5

Trang 6

 Bảng 1.1 So sánh các chuẩn IEEE 802.16, 802.16-2004, 802.16e

mang

Đơn sóng mang, OFDM, S-OFDMA

256-6

Trang 7

10MHz; 15MHz; 8,75MHz

1,75MHz; 3,5MHz; 7MHz; 14MHz; 1,25MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz; 8,75MHz

7

Trang 8

Ký hiệu giao diện vô tuyến WirlessMAN-SC WirlessMAN-SCa, WirlessMAN-OFDM,

WirlessMAN-OFDMA, WirlessHUMAN

WirlessMAN-SCa, WirlessMAN-OFDM, WirlessMAN-OFDMA, WirlessHUMAN

Bán kính ô

Ứng dụng cho WiMAX Không 256 OFDM cho WiMAX cố định S-OFDM cho WiMAX di động8

Trang 9

1.2 WiMAX Forum

 Chuẩn IEEE 802.16 được phát triển nhiều năm với sự tham gia của nhiều nhà

công nghiệp WiMAX Forum, một tổ chức phi lợi nhuận bao gồm trên 350 thành viên, tiếp nhận công việc mà IEEE để lại

 Hoạt động khởi thảo các tiêu chuẩn đo kiểm được sử dụng trong quá trình kiểm

tra của WiMAX Forum 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

 Forum định nghĩa hiệu năng hệ thống và các hồ sơ chứng nhận bao gồm một tập

con chuẩn IEEE 802.16 với các 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 hợp của nhiều nhà cung cấp

 Vì thế nhãn chứng nhận WiMAX đảm bảo cả sự hợp chuẩn WiMAX 802.16 lẫn

tính tương hợp

9

Trang 10

1.3 Các tính năng tiên tiến của WiMAX

 Lớp vật lý dựa trên OFDM

 Tốc độ số liệu đỉnh rất cao

 Hỗ trợ băng thông và tốc độ số liệu khả định cỡ

 Mã hóa và điều chế thích ứng (AMC)

 Phát lại lớp vật lý

 Hỗ trợ TDD và FDD

 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA)

 Ấn định tài nguyên linh hoạt và động cho từng người sử dụng

 Hỗ trợ các kỹ thuật anten tiên tiến

Trang 11

1.4 Đặc điểm của WiMAX di động

 WiMAX di động được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.16e và IEEE 802.16m là một giải pháp không dây băng rộng cho phép hội tụ các mạng di động và cố định thông qua một công nghệ vô tuyến băng rộng vùng rộng chung và một 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 các môi trường truyền dẫn không trực xạ

 Phát hành 1 của các hồ sơ WiMAX di động sẽ bao phủ các băng thông 5; 7; 8,5; 10 MHz cho các ấn định phổ tần trong các băng cấp phép: 2,3; 2,5; 3,3; 3,5 GHz

11

Trang 12

 Một số tính năng được WiMAX di động hỗ trợ:

Tốc độ số liệu cao: hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh 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

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

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

12

Trang 13

 Một số tính năng được WiMAX di động hỗ trợ:

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

An ninh: đảm bảo các tính năng an ninh tốt nhất với: nhận thực dựa trên EAP (giao thức nhận thực khả mở rộng), mật mã hóa với nhận thực dựa trên AES-CCM, CMAC, HMAC dựa trên các hồ sơ bảo vệ bản tin điều khiển

Di động: hỗ trợ các sơ đồ chuyển giao tối ưu với trễ thấp hơn 50 ms Các sơ đồ quản lý khóa linh hoạt đảm bảo an ninh trong quá trình chuyển giao

13

Trang 14

1.5 Lộ trình phát triển của các sản phẩn WiMAX

14

Hình 1.1 Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX

Trang 15

CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG WIMAX

Mô hình tham chuẩn mạng (NRM) thể hiện logic kiến trúc mạng

NRM định nghĩa các phần tử chức năng và các điểm tham chuẩn, nơi xảy ra tương tác giữa các phần tử chức năng.

Hình 2.1 minh họa NRM gồm các thực thể chức năng:

 MS (Mobile Station: trạm di động)

 ASN (Access Service Network: mạng dịch vụ di động

 CSN (Connection Service Network: mạng dịch vụ kết nối

Trang 16

802.16e MS (R1MS)

802.16m MS (AMS)

ASN GW

R1BS ABS

ASN khác

Mạng ASP hay Internet

R2 R1

R1

R3

R4

R5 R6

R6 R8

Hình 2.1 Mô hình tham chuẩn WiMAX di động

Trang 17

ASN được định nghĩa như là một tập các chức năng mạng cần thiết để cung cấp truy nhập vô tuyến đến thuê bao IEEE Std 802.16-2009/802.16m.

ASN bao gồm các phần tử mạng sau: một hay nhiều BS (trạm gốc), một hay nhiều cổng ASN.

Trang 18

 ASN cung cấp ít nhất là các chức năng sau:

Trang 19

 CSN gồm các phần tử mạng như các router, các AAA server/đại

diện, các cơ sở dữ liệu của người sử dụng, các chức năng tương tác mạng

Trang 20

 AAA proxy (đại diện) hay Server.

 Điều khiển chính sách và cho phép dựa trên các hồ sơ của các người sử dụng

 Hỗ trợ truyền tunnel giữa ASN-CSN

 Lập biểu cước cho thuê bao IEEE Std 802.16-2009/IEEE 802.16m và thanh toán cước giữa các nhà khai thác

 Truyền tunnel giữa các CSN để chuyển mạng

 Quản lý di động giữa các ASN và chức năng tác nhân IP di động nhà

 Các dịch vụ mạng như kết nối các dịch vụ đồng cấp chẳng hạn IMS, LBS, MBS

Trang 21

CHƯƠNG III: NGUYÊN LÝ OFDM

• Kỹ thuật điều chế OFDM là một phương pháp điều chế đa sóng mang (MCM) cho phép giảm méo tuyến tính do kênh truyền dẫn vô tuyến phân tán gây ra

• Nguyên lý của OFDM là phân chia tổng băng thông cần truyền vào một số sóng mang con để có thể truyền đồng thời các sóng mang này Bằng cách này luồng số tốc độ cao có thể được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn

• OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh Việc phân chia tổng băng thông thành nhiều băng thông con với các sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số và

vì thế tăng độ dài ký hiệu Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn

Trang 22

CHƯƠNG III: NGUYÊN LÝ OFDM

• Kỹ thuật điều chế OFDM là một phương pháp điều chế đa sóng mang (MCM) cho phép giảm méo tuyến tính do kênh truyền dẫn vô tuyến phân tán gây ra

• Nguyên lý của OFDM là phân chia tổng băng thông cần truyền vào một

số sóng mang con để có thể truyền đồng thời các sóng mang này Bằng cách này luồng số tốc độ cao có thể được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn

• OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh Việc phân chia tổng băng thông thành nhiều băng thông con với các sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số và vì thế tăng độ dài ký hiệu Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn

Trang 23

CHƯƠNG IV: LỚP VẬT LÝ WIMAX CỐ ĐỊNH

4.1 Tổng quan tính năng của lớp vật lý, PHY

 Băng tần cấp phép 10-66 MHz

o Băng tần 10-66 GHz được sử dụng cho môi trường vật lý, trong đó do bước sóng ngắn, nên chỉ sử dụng đường truyền trực xạ (LOS), còn các đường truyền phản

xạ và tán xạ (NLOS) không đáng kể

o Trong băng tần này, băng thông được sử dụng thường là 25 hay 28 MHz

o Với tốc độ bit thô lớn hơn 10Mbps, môi trường này rất thích hợp cho truy nhập điểm đa điểm (PMP) để phục vụ các ứng dụng khác nhau

o Trong băng tần này giao diện vô tuyến điều chế đơn sóng mang được đặc tả trong chuẩn giao diện vô tuyến "WirelessMAN-SC"

Trang 24

 Các tần số thấp hơn 11 MHz

o 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

o 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)

Trang 25

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

o 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

o 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

 Kỹ thuật ghép song công

o Giao thức MAC hỗ trợ một số kỹ thuật ghép song công cho PHY

o 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

Trang 26

 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 côngvà bán song công 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)

Trang 27

Hình 4.1 Ấn định băng thông FDD theo cụm

Trang 28

 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 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

Trang 29

4.2 Các tùy chọn

 Hệ thống anten thích ứng, AAS

• Hệ thống anten thích ứng có thể cải thiện cự ly phủ sóng và dung lượng

hệ thống bằng cách thích ứng mẫu phát xạ anten và tập trung phát xạ đến từng SS

• Hiệu suất sử dụng tần phổ tăng tuyến tính theo số lượng phần tử anten

• Việc thiết kế tùy chọn AAS cung cấp cơ chế chuyển từ một hệ thống không AAS đến một hệ thống cho phép ASS

Trang 31

 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

Trang 32

Hình 4.4 Nguyên lý STC

Trang 33

có hỗn hợp cả lưu lượng ARQ và lưu lượng không ARQ

 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 lới (Mesh), trong đó cấu hình PMP là bắt buộc

Trang 34

 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.

 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

Trang 35

4.3 Tổng kết các đặc tả giao diện vô tuyến khác nhau trong IEEE 802.16-2004 cho truy nhập vô tuyến cố định

Bảng 4.1 Các đặc tả giao diện vô tuyến Tên đặc tả Ứng dụng Yêu cầu lớp MAC bổ

sung Các tùy chọn Kỹ thuật ghép song công

FDD WirelessMAN-SCa Các băng tần cấp phép dưới 11 MHz AAS**

ARQ***

STC****

TDD FDD

WirelessMAN-OFDM Các băng tần cấp phép dưới 11 MHz AAS

ARQ Cấu hình lưới STC

TDD FDD

WirelessMAN-OFDMA Các băng tần cấp phép dưới 11 MHz AAS

HARQ STC

TDD FDD

WirelessHUMAN* Các băng tần miễn phép dưới 11 MHz DFS AAS

ARQ Cấu hình lưới STC

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

Trang 36

4.4 WirelessMAN OFDM

 Tổng quan các tính năng của WirelessM

AN OFDM:

Bảng 4.2 Các tính năng của WirelessMAN OFDM Tính năng Lợi ích Dạng sóng 256 điểm FFT OFDM Để hỗ trợ các môi trường LOS và NLOS

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.

Định dạng
Số trang	54
Dung lượng	2,5 MB

Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX cố định

WirelessMAN OFDMA  Khe OFDMA và vùng số liệu: