Nghiên cứu wimax di động và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt

Nhưng cho tới naytất cả những công nghệ này tuy hiện nay rất phổ biến nhưng dường như vẫn không đápứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng về mặt tốc độ, khả năng phủ sóng…WiMAX nó

LỜI MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ truyền thông vôtuyến băng rộng qua khoảng cách xa, nhiều công nghệ nổi lên như để chứng tỏ tiềmnăng và tính khả thi của mình như công nghệ DSL, ADSL, WiFi Nhưng cho tới naytất cả những công nghệ này tuy hiện nay rất phổ biến nhưng dường như vẫn không đápứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng về mặt tốc độ, khả năng phủ sóng…WiMAX nói chung và đặc biệt là WiMAX di động nói riêng với những đặc tính vượttrội đã chứng tỏ mình là một giải pháp tích cực có thể giải quyết các vấn đề đa truynhập về mặt chi phí lắp đặt, khoảng cách phủ sóng, tốc độ đường truyền, đồng thời thuhút được sự tham gia hợp tác của các tập đoàn điện tử lớn trong việc sản xuất thúc đẩy

sự hoàn thiện của công nghệ mới này

Đề tài tốt nghiệp với tiêu đề: “Nghiên cứu Wimax di động và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt” được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu tổng quan về công

nghệ WiMAX di động đồng thời nghiên cứu tình hình triển khai của công nghệ mớinày trong điều kiện thực tế ở Việt Nam để trả lời các câu hỏi như: “Tại sao công nghệmới này lại hấp dẫn các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng cũng như các kháchhàng như vậy?” và “Quá trình triển khai trên thực tế được thực hiện như thế nào, kếtquả thu được là gì?” Đồng thời, việc nghiên cứu tìm hiểu về WiMAX di động trongtình hình mạng viễn thông Việt Nam hiện nay là điều cần thiết không chỉ đối với thịtrường nói chung cũng như các các nhà quản lý nói riêng

Trên cơ sở những thông tin có sẵn từ các tài liệu trong và ngoài nước, phần nộidung của bài viết được thực hiện thông qua đọc và phân tích đồng thời nêu lên quanđiểm của bản thân về những vấn đề cần nghiên cứu Nội dung đề tài bao gồm 3 phầnchính:

 Chương 1: Tổng quan về chuẩn 802.16e và WiMAX di động

 Chương 3: Ứng dụng triển khai WiMAX di động trên mạng nội hạt tại Việt Nam

Trong thời gian thực hiện đề tài, các thầy trong liên bộ môn điện tử viễn thông đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để em có thể hoàn thành tốt bài báo cáo của mình Trước tiên , em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Quang Thanh – người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, góp ý và hỗ trợ em trong thời gian qua Sau cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong liên bộ môn điện – điện tử đã giúp đỡ em trong thời gian thực hiện đề tài

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16e VÀ WiMAX DI ĐỘNG 11

1.1 Giới thiệu chung về WiMAX di động 11

1.2 Mô hình hệ thống 13

1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động 15

1.4 Kỹ thuật truyền thông số 16

1.4.1 Mô tả lớp vật lý 16

1.4.1.1 Các khái niệm cơ bản về OFDM 16

1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa 19

1.4.1.3 OFDMA theo tỷ lệ (S-OFDMA) 22

1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA 23

CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WIMAX DI ĐỘNG 27

2.1 Cấu trúc khung TDD 27

2.2 Các đặc điểm lớp vật lý cải tiến khác 29

2.3 Mô tả lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Media Access Control) 32

2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC 33

2.3.2 Hỗ trợ QoS 35

2.3.4 Quản lý di động 38

2.3.5 Bảo mật 39

2.3.6 Truy nhập kênh truyền 40

2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động 42

2.4.1 Công nghệ anten thông minh 42

2.4.1.1 MIMO 42

2.4.1.2 Công nghệ anten thông minh 43

2.4.2 Sử dụng lại tần số phân đoạn 46

2.4.3 Dịch vụ Multicast và Broadcast (MBS) 48

2.5 Các vấn đề về phổ của WIMAX di động 49

2.6 Kiến trúc WiMAX end-end 50

2.6.1 Hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng 52

2.6.2 Liên mạng và chuyển vùng 52

2.6.3 Bảo mật 57

2.6.4 Tính di động và chuyển giao 58

2.6.5 Khả năng mở rộng, vùng bao phủ và lựa chọn nhà khai thác 58

2.6.6 Khả năng liên hoạt động của đa nhà sản xuất 59

2.6.7 Chất lượng dịch vụ 60

2.7 Ưu và nhược điểm của Wimax di động 61

2.7.1 Ưu điểm của Wimax di động 61

2.7.2 Nhược điểm của Wimax di động 63

2.8 So Sánh Wimax di động với công nghệ 3G 64

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI WiMAX DI ĐỘNG TRÊN MẠNG NỘI

HẠT TẠI VIỆT NAM 66

3.1 Tổng quan 66

3.2 Triển khai WIMAX di động của công ty Viễn Thông Hà Nội (HNPT) 67

3.2.1 Mục tiêu triển khai 67

3.2.1.1 Yêu cầu về dịch vụ cho hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng 67

3.2.1.2 Đối tượng khách hàng của hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng .67

3.2.2 Qui mô triển khai WIMAX di động tại Hà Nội 68

3.2.3 Phối hợp thử nghiệm triển khai Wimax giữa Motorola và HNPT 69

3.2.3.1 Mục đích của cuộc Phối hợp Thử nghiệm Công nghệ (PTC) 70

3.2.3.2 Nội dung công việc triển khai 82

3.2.3.3 Sơ đồ chung về mạng của ULAP WiMAX 83

3.2.3.4 Các thành phần hệ thống và thiết bị kiểm tra được yêu cầu 84

3.2.3.4.1 Phần mềm 85

3.2.4 Cấu hình thử nghiệm 86

3.2.4.1 Các mô hình thử nghiệm 87

3.2.4.1.1 Dịch vụ dữ liệu 87

3.2.4.1.2 Dịch vụ thoại trên nền IP 89

3.2.4.1.3 Dịch vụ game tương tác 90

3.2.4.1.4 Dịch vụ mạng riêng ảo 91

3.2.4.1.5 Dịch vụ cấp phát địa chỉ IP-DHCP 92

3.2.4.1.6 Thử nghiệm VOIP với VOIP Server và Voice Gateway 94

KẾT LUẬN CHUNG 96 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di động 12

Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX 13

Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX 14

Hình 1.4: Kiến trục mạng WiMAX di động 15

Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM 17

Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix 17

Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM 18

Hình 1.8: Miền tần số OFDM 18

Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM 19

Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA 20

Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻ 21

Hình 1.12: Cấu trúc tile của UL PUSC 21

Hình 1.13: So sánh OFDM và OFDMA 24

Hình 1.14: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA 25

Hình 1.15: Tuyến lên trong OFDM và OFDMA 26

Hình 2.1: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA 29

Hình 2.2: Mô hình điều chế trong 802.16e 30

Hình 2.3: Phân lớp MAC và các chức năng 33

Hình 2.4: Qos hỗ trợ WiMAX di động 36

Hình 2.5: Các bước kết nối với trạm BS 42

Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh 46

Hình 2.8 Cấu trúc khung đa miền 47

Hình 2.9: Sử dụng lại tần số 48

Hình 2.10: Hỗ trợ MBS nhúng với những vùng WiMAX-MBS di động 49

Hình 2.11: Mô hình tham chiếu mạng WIMAX 54

Hình 2.12: Cấu trúc mạng WiMAX trên nền IP 56

Hình 3.1: Sơ đồ các khu vực triển khai WiMAX di động 68

Hình 3.2: Cấu hình sản phẩm Ultra Light 70

Hình 3.3: Cấu hình sản phẩm ULAP 71

Hình 3.4: Framework quản lý các phần tử ULAP 72

Hình 3.5: Cấu hình cell điển hình (4 sector) 72

Hình 3.6: Module thuê bao ngoài trời 73

Hình 3.7: Cấu hình đa sector của ULAP 74

Hình 3.8: Cấu hình mạng chung ULAP 83

Hình 3.9: Cấu hình mạng 84

Hình 3.10: Cấu hình thử nghiệm WiMAX di động của HNPT 86

Hình 3.11: Thử nghiệm dịch vụ truyền file FTP 87

Hình 3.12: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web intranet 88

Hình 3.13: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web internet 88

Hình 3.14: Thử nghiệm dịch vụ VOIP PC-to-PC 89

Hình 3.15: Thử nghiệm dịch vụ Game trực tuyến 90

Hình 3.16: Thử nghiệm dịch vụ mạng riêng ảo VPN 91

Hình 3.17: SM built-in DHCP Server 92Hình 3.18: External DHCP Server 93Hình 3.19: Thử nghiệm VOIP với VOIP server (HNPT)

và Voice Gateway (HNPT) 94

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA 23

Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ 30

Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động 31

Bảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS 37

Bảng 2.4: Các tùy chọn của Anten cao cấp 44

Bảng 2.5: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO 45

Bảng 3.1: Tổng hợp những đặc tính kỹ thuật chính của ULAP 74

Bảng 3.2: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP 77

Bảng 3.3 : Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP ( tiếp ) 78

Bảng 3.4: Đặc tính kỹ thuật anten của ULAP 79

Bảng 3.5: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao 80

Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao (tiếp ) 81

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16E VÀ WiMAX DI ĐỘNG1.1 Giới thiệu chung về WiMAX di động

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tươngtác toàn cầu cho truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên các chuẩn 802.11 và802.16 của IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Viện các kỹ sưđiện và điện tử) cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối như một phương thức thay thếcho cáp, DSL, ADSL hoặc hệ thống cáp quang tốn kém Hệ thống WiMAX, theo nhưWiMAX Forum, cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomandic - trong đóngười sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối, mang xách được trong

đó người sử dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ, di động với khả năng phủ sóng củamột trạm anten phát lên đến 50 km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS – Line ofsight) và bán kính cell lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS – Non line ofsight)

Trong họ IEEE 802.16 nổi bật nhất là chuẩn 802.16e – 2005 với khả năng đápứng các ứng dụng cố định và đặc biệt là các dịch vụ di động, nên còn được gọi làWiMAX di động Chuẩn này đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong khả năng đáp ứngnhu cầu sử dụng ngày càng cao của người dùng Với những thuộc tính vượt trội đặcbiệt về tốc độ đường truyền số liệu lên tới 64Mbps downlink và 28Mbps uplink khảnăng cung ứng di động tối đa lên tới 120km/h, và bán kính phủ lên tới 1/5/30km,WiMAX di động đang dần chứng tỏ mình là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vựccung cấp giải pháp Internet băng rộng di động và là một đối thủ cạnh tranh đáng gờmđối với mạng thông tin di động 3G LTE trong việc cung ứng các dịch vụ tương tự nhưthoại VoIP, Internet di động hay TV di động

WiMAX di động sẽ là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ mạngbăng rộng cố định và di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trêndiện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo Giao diện vô tuyến WiMAX di động sử dụng

đường trong môi trường NLOS Phương thức OFDMA scalable (SOFDMA) được sửdụng trong bản bổ xung IEEE 802.16e để hỗ trợ băng tần kênh thay đổi từ 1.25 tới 20Mhz Hiện nay, một profile hệ thống WiMAX di động đang được phát triển nhằm xácđịnh các đặc điểm bắt buộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE để xây dựng các giao diện vôtuyến tuân theo WiMAX di động Profile hệ thống WiMAX di động này cho phép hệthống di động được cấu hình dựa trên tập hợp các đặc điểm chung do đó đảm bảo cáccho đầu cuối và trạm gốc có thể liên hoạt động Một vài đặc điểm tuỳ chọn của profiletrạm gốc được đưa ra nhằm tạo nên sự mềm dẻo trong việc triển khai các cấu hình khácnhau với điều kiện hoặc tối ưu về khả năng hoặc về vùng phủ Profile WiMAX di động

sẽ bao gồm độ rộng kênh 5, 6, 8.75 và 10 MHz trong băng tần số 2.3 GHz, 2.5 GHz và3.5 GHz 002E

Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di động

Hiện nay, một nhóm làm việc mạng của diễn đàn WiMAX đang phát triển cáctiêu chuẩn kỹ thuật mạng “mức cao” cho hệ thống WiMAX di động mà trong chuẩnIEEE 802.16 mới chỉ giải quyết các vấn đề đơn giản của các phần giao diện vô tuyến.Nhóm này cũng đang nghiên cứu phiên bản khác là 802.16m với mục đích đẩy tốc độ

dữ liệu của WiMAX lên hơn nữa trong khi vẫn tương thích với WiMAX cố định và diđộng đã và đang được triển khai Phiên bản này theo dự kiến sẽ được hoàn thiện vàocuối năm 2009, như là một bước tiến để vượt trội hơn 3G LTE và xâm nhập sâu rộnghơn vào thị trường di động hiện nay Phiên bản 802.16m sẽ vẫn dựa trên kỹ thuật ăng-

ten MIMO trên nền công nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thunhiều hơn WiMAX di động « Wave 2 » 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-tenthu sẽ có thể đẩy tốc độ truyền lên lớn hơn 350Mbps Theo dự kiến,WiMAX Release 2với sự hoàn thiện của 802.16m sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầutriển khai dịch vụ từ 2010 Hình 1.2 dưới đây thể hiện lộ trình phát triển của công nghệWiMAX đã, đang và sẽ xuất hiện

Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX

Người dùng có thể truy cập WiMAX di động tại bất cứ địa điểm nào dù là cố địnhhay đang di động Một điểm đáng chú ý đó là các trạm phát do được kết nối với mạngInternet thông qua các đường truyền Internet tốc độ cao hoặc các trạm trung chuyểntheo đường truyền thẳng LOS nên khả năng phủ sóng của WiMAX là rất rộng Cácanten thu phát có thể trao đổi thông tin qua các đường truyền LOS hoặc NLOS Đốivới trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao dovậy tín hiệu thu được trong trường hợp này rất ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa Tuynhiên đối với trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn, 2 – 11GHz tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ,nhiễu xạ, tán xạ…để tới đích.

Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX

1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động

Hình 1.4: Kiến trúc mạng WiMAX di động

Ta thấy để thiết lập một mạng WiMAX hay WiMAX di động ta cần có các trạmphát BS (giống BTS của mạng thông tin di động) Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lýbởi một ASN (Access Service Network) gateway ASN Gateway này là thực thể miêu

tả trong WiMAX Forum, tuy nhiên trong các mạng triển khai thực tế thì người ta haygọi là WAC (WiMAX hay Wireless Access Controller) Nhiều WAC tập hợp lại tạothành một ASN Nhiều ASN của cùng một operator tạo thành một NAP (NetworkAccess Provider) Nhiều nhà cung cấp khác nhau sẽ có thể triển khai nhiều mạng truynhập khác nhau, rồi chúng sẽ cùng kết nối với một hoặc nhiều CSN (Core ServiceNetwork)

ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi để mô

WiMAX khác, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tập các chức năng của nhiềunhà cung cấp khác nhau CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cungcấp các dịch vụ kết nối IP cho các thuê bao WiMAX Một CSN có thể gồm các phần tửmạng như router (bộ định tuyến), máy chủ/proxy nhận thực AAA, cơ sở dữ liệu ngườidùng và thiết bị cổng liên mạng Một CSN có thể được triển khai như một phần củanhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX.

1.4 Kỹ thuật truyền thông số

1.4.1 Mô tả lớp vật lý

1.4.1.1 Các khái niệm cơ bản về OFDM

Công nghệ WiMAX di động chọn phương pháp truy cập đa điểm dựa trên việc phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access -

OFDMA) để nâng cao hiệu suất truyền giữa các điểm trong môi trường không phát sóng trực tiếp Tuy nhiên để hiểu rõ về OFDMA thì việc tìm hiểu những nét cơ bản về OFDM là rất cần thiết

OFDM là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao-một kỹ thuật hấpdẫn sử dụng cho các hệ thống truyền thông số liệu tốc độ cao Nó được phát triển từ 2

kĩ thuật quan trọng là ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) và truyền thông đa sóngmang OFDM là một kỹ thuật ghép kênh mà chia băng tần thành các tần số sóng mangnhỏ như được chỉ ra trong hình sau :

Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, luồng số liệu đầu vào được chia ra thành các luồng consong song với tốc độ số liệu nhỏ hơn và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu vàmỗi luồng nhỏ được điều chế và truyền trên một sóng mang trực giao Hơn nữa, sự sửdụng tiền tố lặp-CP (cyclic frefix) có thể hoàn toàn loại trừ xuyên nhiễu giữa các kýhiệu (ISI) miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền CP là một sự lập lại củamột đoạn cuối của khối số liệu và được gán tới đầu của đoạn tải số liệu như được chỉ ratrong hình:

Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix

Sử dụng CP để chống lại xuyên nhiễu giữa các ký hiệu và tạo cho kênh “xuấthiện” vòng tròn Một trong những nhược điểm của CP là làm giảm hiệu quả của băng

một ít Do phổ OFDM có hình rất nhọn giống như “brick-wall”, do đó một phần lớnbăng thông kênh được sử dụng cho truyền số liệu nên giúp giảm ảnh hưởng trong việc

sử dụng tiền tố vòng tròn

Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM

OFDM có thể triển khai trên nhiều dải tần số khác nhau với đa kênh bằng cách sửdụng mã hoá và thông tin tại sóng mang nhỏ trước khi đưa vào truyền dẫn

Hình 1.8: Miền tần số OFDM

Điều chế OFDM có thể hiện thực hoá một cách hiệu quả với chuyển đổi Fourierngược nhanh Điều này cho phép truyền một số lượng lớn các sóng mang nhỏ mà

không phức tạp trong việc thực hiện Trong một hệ thống OFDM, các tài nguyên trongmiền thời gian chính là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số là các sóng mang nhỏ.Nguồn tài nguyên “tần số” và “thời gian” có thể được tổ chức thành các kênh con dùngcho việc phân bổ tới từng người sử dụng riêng rẽ Mỗi hình chữ nhật là một kênh conđộc lập và cấp cho những người sử dụng khác nhau:

Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM

1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) là một phương thức

đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, cung cấp hoạt động ghép kênh luồng sốliệu cho đa người sử dụng vào các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường đađường lên bằng phương tiện kênh con đường lên

OFDMA là một công nghệ đa sóng mang phát triển trên nền kỹ thuật OFDM.Trong OFDMA, một số sóng mang con, không nhất thiết là phải nằm kề nhau đượcgộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽđược cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo yêu cầu lưu lượng cụthể

nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó

sẽ giảm những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi Access Interfearence-MAI).OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng mang con cùng một lúc

Ở mỗi đơn vị thời gian, tất cả các người dùng có thể truy nhập Việc ấn định các sóngmang con cho một người dùng có thể thay đổi ở mỗi đơn vị thời gian

Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 kiểu sóng mang con như được chỉ ra tronghình sau:

 Sóng mang con số liệu cho truyền dẫn số liệu

 Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ hoá

 Sóng mang con Null không để truyền dẫn truyền, được sử dụng cho phần băngthông an toàn và tải mang DC

Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Sóng mang con (số liệu và pilot), được nhóm thành từng nhóm sóng mang conđược gọi là kênh con WiMAX OFDMA lớp vật lý hỗ trợ kênh con hoá trong cả DL và

UL Khối nguồn tài nguyên thời gian-tần số tối ưu cho kênh con hoá là một khe, bằng

48 tone số liệu (sóng mang con)

Có 2 kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tán và kề nhau Sự hoán

vị phân tán dẫn đến các sóng mang con giả ngẫu nhiên để hình thành một kênh con Sựhoán vị này mang đến tính đa dạng tần số và trung bình xuyên nhiễu giữa các cell Sựhoán vị phân tán bao gồm DL FUSC (Sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DL PUSC

(Sóng mang con sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm Với DLPUSC, mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con có thể sử dụng hoặc khả dụngđược nhóm thành các cluster chứa 14 sóng mang liền kề trên một ký hiệu, với sự phân

bổ pilot và số liệu trên mỗi nhóm trong các ký hiệu chẵn và lẽ như hình sau

Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻ

Một nguyên lý sắp xếp lại được sử dụng để hình thành nhóm các cluster Mộtkênh con trong nhóm chứa 2 cluster và được được tạo bởi 48 sóng mang con số liệu và

8 sóng mang con pilot Các sóng mang con số liệu trong mỗi nhóm được tiếp tục hoán

vị để tạo thành các kênh con trong phạm vi nhóm Vì vậy, chỉ các vị trí dẫn đườngtrong cluster là được biểu thị trong hình trên.Các song mang con dữ liệu trong clusterđược phân bổ cho nhiều kênh con

Tương tự với cấu trúc nhóm cho DL, một cấu trúc tile được xác định cho ULPUSC có định dạng như hình 1.12

Không gian sóng mang con hiệu dụng được chia thành các tile, được chọn từ phổbằng sơ đồ hoán vị/ sắp xếp lại, được nhóm cùng nhau để hình thành một khe Khe baogồm 48 sóng mang số liệu và 24 sóng mang pilot trong 3 ký hiệu OFDM.

Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành kênhcon Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cùng một cấu trúc Một

“thùng” (bin) bao gồm 9 sóng mang con trong một ký hiệu, với 8 được gán cho số liệu

và một được gán cho pilot Một khe (slot) trong AMC được xác định như là một tậphợp các thùng với kiểu (N*M=6), trong đó N là số thùng liền kề và M là số ký hiệuliền kề Do đó, các kiểu hoán vị này có thể là (6 bin, 1 ký hiệu, 3 bin, 2 ký hiệu, 1 bin 6

ký hiệu) Hoán vị AMC cho phép nhiều người sử dụng bằng cách chọn kênh con với sựphản hồi tần số tốt nhất

Nói chung, kiểu hoán vị sóng mang con đa dạng thực hiện tốt trong các ứng dụng

di động trong khi đó hoán vị sóng mang con liền kề lại phù hợp tốt cho môi trường diđộng thấp, hoặc có thể lưu động hoặc cố định Những tuỳ chọn này cho phép ngườithiết kế hệ thống lựa chọn ra kiểu hoán vị phù hợp với hệ thống của mình

1.4.1.3 S-OFDMA theo tỷ lệ

Đây là một đặc điểm bổ sung cho IEEE 802.16e để hỗ trợ chuyển giao dễ dàng.Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữbằng nhau với phổ có sẵn Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóngmang con thay đổi trong các hệ thống khác nhau Điều này làm cho việc chuyển giaogiữa các hệ thống gặp khó khăn Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chiphí cao

OFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ chokhông gian sóng mang con không thay đổi Nói cách khác, số sóng mang con có thểtăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước Ví dụ, nếu một băngtần 5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chiathành 1024 sóng mang con

Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S-OFDMA nên một máy diđộng có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách suôn sẻ Ngoài ra, với không giansóng mang con không thay đổi, một thiết kế là phù hợp cho nhiều hệ thống và có thể tái

sử dụng Chi phí cho thiết kế và sản phẩm sẽ thấp hơn

Cụ thể hơn thì S-OFDMA hỗ trợ một khoảng rộng băng thông để giải quyết mộtcách mềm dẻo việc phân chia phổ thay đổi và đáp ứng các yêu cầu khác hữu ích.Scalability thực hiện được do điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn cố định khoảngcách tần số cho một sóng mang là 10.94 kHz Do băng thông sóng mang con và độ dàicủa ký tự là cố định, tác động tới lớp cao hơn là nhỏ khi thay đổi băng tần Các tham sốS-OFDMA được mô tả trong bảng Băng tần hệ thống của profile ban đầu được pháttriển bởi nhóm làm việc về kỹ thuật với phiên bản-1 là 5 và 10 MHz (được tô sángtrong bảng)

Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA

1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA

Theo kỹ thuật ghép kênh cơ bản thì OFDM được sử dụng cho định dạng 802.16 –

2004 rất phù hợp với các ứng dụng cố định, trong khi chuẩn 802.16e lại sử dụngOFDMA lại đặc biệt thích hợp với mục đích ứng dụng trong di dộng và về bản chấtOFDM ít phức tạp hơn so với SOFDMA

Hình 1.13: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA

OFDMA tạo cho các định dạng 802.16e linh hoạt hơn rất nhiều trong việc quản lýcác dịch vụ người dùng khác nhau với nhiều kiểu anten và yếu tố hình dạng khác nhau

Nó đem lại sự giảm bớt can nhiễu cho các thiết bị khách hàng có anten toàn hướng vàkhả năng truyền NLOS được cải thiện – những yếu tố rất cần thiết khi hỗ trợ các thuêbao di động Việc tạo kênh phụ thuộc sẽ xác định các kênh con để có thể gán cho cácthuê bao khác nhau tùy thuộc vào các trạng thái kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng.Điều này tạo điều kiện cho các nhà khai thác linh hoạt hơn trong việc quản lý băngthông và công suất phát, từ đó dẫn đến việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn

Hình 1.14: So sánh OFDM và OFDMA

Trong OFDM, tất cả các sóng mang đều được phát đi một cách song song vớicùng một biên độ trong khi OFDMA chia không gian sóng mang thành NG nhóm mỗinhóm có NE sóng mang và NE kênh con, mỗi kênh con này mang một sóng mang chomỗi nhóm Việc tạo kênh con này giúp cải thiện hiệu năng khi công suất phát từ mộtthiết bị người dùng bị hạn chế Chẳng hạn trong OFDMA có 2048 sóng mang biến đổithành NE = 32 và NG = 48 trong tuyến xuống và NG = 53, NE =32 trong tuyến lên vớicác sóng mang còn lại được dùng cho các băng bảo vệ và báo hiệu

Trong OFDM, các thiết bị người dùng phát đi bằng cách sử dụng toàn bộ mộtkênh cùng một lúc như hình vẽ bên dưới Trong khi đó, OFDMA hỗ trợ đa truy nhậpcho phép người dùng chỉ phát đi qua các kênh con được gán cho chúng Như ví dụ trên,nếu 2048 sóng mang và 32 kênh con, nếu chỉ một kênh con được gán cho một thiết bịthì toàn bộ công suất phát ra sẽ được tập trung trong 1/32 phổ khả dụng và có thể đemlại một độ lợi 15dB so với OFDM Hơn thế nữa, hình thức đa truy nhập này là đặc biệt

có lợi khi sử dụng các kênh rộng

Hình 1.15: Tuyến lên trong OFDM và OFDMA

Trong OFDM, các thiết bị người dùng được gán các khe thời gian để phát, nhưngchỉ một thiết bị người dùng có thể phát trong một khe thời gian duy nhất TrongOFDMA, việc tạo kênh con cho phép một số thiết bị được phát trong cùng một thờigian qua các kênh con được gán cho chúng

CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WiMAX DI ĐỘNG2.1 Cấu trúc khung TDD

PHY 802.16e hỗ trợ TDD, FDD và hoạt động FDD half-duplex Tuy nhiên, phiênbản ban đầu của profile chứng chỉ WiMAX di động chỉ có với chế độ TDD Với phiênbản đang được nghiên cứu, profile FDD sẽ được xem xét bởi diễn đàn WiMAX để tạo

ra các cơ hội kinh doanh mới cho những nơi có các yêu cầu về phổ nội hạt hoặc cấmđối với TDD hoặc là phù hợp hơn với triển khai FDD

TDD là một ứng dụng của Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (TimeDevision Multiple Acces) để phân tách tín hiệu đi và tín hiệu về TDD có một tiện íchlớn trong trường hợp sự không đối xứng giữa tốc độ uplink và và downlink dữ liệu làthay đổi Khi số liệu uplink tăng lên thì sẽ có một dải thông rộng hơn có thể phân phốicho nó như trước khi nó được co lại để có thể truyền đi Một tiện ích khác khiến TDDđược sử dụng trong WiMAX di động thế hệ đầu là đường tín hiệu radio uplink vàdownlink là rất giống trong hệ thống di chuyển chậm điều đó có nghĩa là công nghệnhư beamforming làm việc rất tốt với hệ thống TDD Sự sắp xếp có hệ thống của TDD

có thể cấp phát một cách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiều truyền và nhận

dữ liệu, điều này đặc biệt quan trọng trong các đường truyền Internet với tỉ lệ UL/DLkhông bị bắt buộc phải là 50/50 Xét một cách tổng quát thì TDD có thể mang lại sựlinh hoạt cũng như giúp nâng cao năng lực của hệ thống lên rất nhiều Tuy nhiên, việc

sử dụng TDD trong phiên bản đầu này của WiMAX di động gặp phải một nhược điểm

 TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống/đường lên để hỗ trợ lưu lượngđường xuống/đường lên một cách hiệu quả, trong khi đó với FDD, đường xuống

và đường lên luôn luôn bị cố định và nói chung là bằng với băng thông DL vàUL

 TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để: hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền,MIMO và các công nghệ anten cải vòng kín cao cấp khác

 Không giống như FDD với việc yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu mộtkênh đơn cho cả đường xuống và đường lên, điều này dẫn đến mềm dẻo hơn đốivới sự phân chia phổ thay đổi

 Thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD là ít phức tạp hơn và do đó sẽ ít tốn kémhơn

Hình vẽ dưới đây minh hoạ cấu trúc khung OFDM với phương thức song côngchia theo thời gian (TDD) Mỗi khung được chia thành khung con DL và UL riêng rẽbởi các bộ chuyển dịch phát/thu và thu/phát (TTG và RTG tương ứng) để chống lại sựxung đột trong truyền dẫn DL và UL Trong một khung, thông tin điều khiển sau được

sử dụng để đảm bảo hoạt động hệ thống tối ưu:

 Phần đầu khung (preamble): Được sử dụng cho đồng bộ, là ký hiệu OFDM

đầu tiên của khung

 Tiêu đề điều khiển khung (FCH):FCH được đặt ngay sau phần mở đầu

(preamble) Nó cung cấp các thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP,

sơ đồ mã hoá và kênh con hiệu dụng

 DL-MAP và UL-MAP: Cung cấp sự phân bổ kênh con và thông tin điều khiển

khác cho khung con DL và UL một cách tương ứng

 Khoảng UL: Kênh con UL được sử dụng cho trạm gốc di động (MS) để thực

hiện thời gian vòng kín, tần số và sự điều chỉnh công xuất cũng như yêu cầubăng tần

 UL CQICH: Kênh UL CQICH được phân bổ cho MS để trả lời lại các thông

tin về trạng thái kênh

 UL ACK: Được sử dụng cho MS để trả lời lại thông báo DL HARQ.

Hình 2.1: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA

2.2 Các đặc điểm lớp vật lý cải tiến khác

WiMAX di động đã đưa ra các kỹ thuật: điều chế thích nghi và mã hóa (AMC), yêu cầu lập lại tự động lại kiểu kết hợp (HARQ), và phản hồi kênh nhanh (CQICH), đểtăng cường khả năng phủ sóng và khả năng của WiMAX trong các ứng dụng di động.Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chếQPSK, 16 QAM và 64 QAM, còn ở đường lên 64 QAM là tùy chọn

Hình 2.2: Mô hình điều chế trong 802.16e

Cả mã hóa vòng và mã hóa Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũngđược hỗ trợ Ngoài ra, mã Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) cũngđược hỗ trợ tùy chọn Bảng sau tổng kết các nguyên lý mã hóa và điều chế được hỗ trợtrong profile WiMAX di dộng (với mã UL tuỳ chọn được chỉ ra với chữ in nghiêng)

Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ

Sự tổ hợp các kỹ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại sự tinh phân giải tốc độ

dữ liệu như minh họa trong bảng 1.3 (với độ rộng kênh là 5 và 10 MHz với các kênhcon PUSC) Độ dài khung là 5ms Mỗi khung có 48 biểu trưng OFDM gồm 44 biểutrưng sẵn sàng để truyền dữ liệu Các giá trị đánh dấu màu là để chỉ các tốc độ cho kỹthuật 64QAM tùy chọn ở đường lên

Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động

Bộ lâp lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp mỗi cấp phát cụm (burts)dựa trên kích thước bộ đệm và điều kiện truyền song ở phía thu Một kênh chỉ thị chấtlượng kênh (CQI-channel quality indicator) được sử dụng để cung cấp thông tin trạngthái kênh từ thiết bị đầu cuối người sử dùng đến bộ lập lịch trạm gốc Thông tin trạngthái kênh có thể được phản hồi bởi CQICH bao gồm: CINR vật lý, CINR hiệu quả, sựlựa chọn chế độ MIMO và sự lựa chọn kênh con Với kỹ thuật TDD, thích ứng đườngtruyền cũng có thể tận dụng ưu điểm của việc đảo kênh để cung cấp việc đo chính xáchơn (như là âm thanh)

WiMAX di động cũng hỗ trợ HARQ HARQ cho phép sử dụng giao thức “dừng

và đợi” N kênh cung cấp khả năng đáp ứng nhanh để đóng gói lỗi và cải tiến khả năngphủ sóng đường biên cell Sự dư thừa tăng được hỗ trợ để cải tiến hơn về độ tin cậy củaviệc truyền lại Một kênh ACK cũng được cung cấp trong đường uplink cho tín hiệu

HARQ ACK/NACK HARQ kết hợp với CQICH và AMC cung cấp sự tương thíchliên kết nhanh trong môi trường tại tốc độ phương tiện quá 120Km/giờ.

2.3 Mô tả lớp điều khiẻn truy nhập dịch vụ MAC

Chuẩn 802.16 được phát triển từ yêu cầu về việc cung cấp đa dạng dịch vụ băngrộng bao gồm thoại, dữ liệu, và video Lớp MAC là hướng kết nối bao gồm ba phânlớp con Lớp con hội tụ dịch vụ riêng (SSCS) cung cấp mọi sự biến đổi hay ánh xạ dữliệu mạng ngoài, nhận dữ liệu mạng ngoài qua điểm truy nhập dịch vụ CS SAP, cácMAC SDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ) được nhận bởi lớp con phần chung MAC CPS thôngqua MAC SAP

Bao gồm việc phân loại các SDU mạng ngoài và kết hợp chúng với nhận dạngluồng dịch vụ MAC thích hợp (SFID) và nhận dạng kết nối (CID) Nó có thể cũng baogồm các chức năng như nén tiêu đề tải trọng (PHS) Nhiều chi tiết kĩ thuật CS được cungcấp cho giao diện với nhiều loại giao thức Định dạng bên trong của tải trọng CS là duynhất với mỗi CS, và các MAC CPS không yêu cầu hiểu dược định dạng của nó hay phântích bất kì thông tin nào từ tải trọng CS

MAC CPS cung cấp các chức năng MAC chính của việc truy nhập hệ thống, cấpphát độ rộng dải tần, thiết lập và duy trì kết nối Nó nhận dữ liệu từ nhiều CS thông quaMAC SAP, phân loại thành các kết nối MAC cụ thể QoS được áp dụng cho việctruyền và lập lịch dữ liệu thông qua lớp PHY sử dụng 4 loại dịch vụ cơ bản

Có hai loại kết nối đó là các kết nối quản lý và kết nối truyền tải dữ liệu Các kếtnối quản lí có ba loại: cơ bản, sơ cấp và thứ cấp Một kết nối cơ bản được tạo ra chomỗi MS khi nó gia nhập vào mạng Kết nối sơ cấp cũng được tạo ra cho mỗi MS ở thờiđiểm vào mạng nhưng đuợc dùng cho các bản tin quản lí dung sai trễ Loại kết nốiquản lí thứ ba, loại thứ cấp được dùng cho các bản tin quản lí IP tóm lược (như DHCP,SNMP, TFP) Các kết nối truyền tải dữ liệu có thể được cung cấp hoặc được thiết lậptheo yêu cầu Chúng được dùng cho các luồng lưu lượng người dùng Đơn điểm hoặc

đa điểm có thể được dùng cho truyền dẫn

Tuy nhiên chúng ta sẽ không đi sâu vào cấu trúc của từng phân lớp con mà sẽ xemxét các đặc tính của lớp MAC nói chung theo cách phân chia như sau:

2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC

Thực thể quản lí Lớp con phần chung MAC Lớp con bảo mật

Thực thể quản lí

PHY

Thực thể quản lí Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt SSCS

Lớp con bảo mật (MAC SS)

Lớp vật lí (PHY)

Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt (MAC SSCS)

Hình 2.3: Phân lớp MAC và các chức năng

Dịch vụ lập lịch MAC WiMAX di động được thiết kế để phân phát hiệu quả cácdịch vụ số liệu băng rộng bao gồm thoại, dữ liệu, và video với kênh vô tuyến băng rộngthay đổi theo thời gian Dịch vụ lập lịch MAC có các thuộc tính sau:

 Bộ lập lịch số liệu nhanh: Bộ lập lịch MAC phải phân bổ hiệu quả nguồn tài

nguyên khả dụng đáp ứng lại với lưu lượng số liệu bursty và điều kiện kênh thayđổi theo thời gian Bộ lập lịch ngồi tại mỗi trạm gốc cho phép phản hồi nhanhhơn với yêu cầu lưu lượng và điều kiện kênh Gói số liệu được đưa vào cácluồng dịch vụ với tham số QoS trong lớp MAC để người lập lịch có thể quyếtđịnh trật tự truyền gói qua giao diện vô tuyến Kênh CQICH cung cấp phản hồithông tin kênh nhanh để cho phép bộ lập lịch lựa chọn mã hoá thích hợp và điềuchế cho mỗi trạm gốc Điều chế/ mã hoá thích ứng kết hợp với HARQ cung cấptruyền dẫn mạnh qua kênh thay đổi theo thời gian

 Lập lịch cho cả DL và UL: Dịch vụ lập lịch được cung cấp cho cả lưu lượng

DL và UL Để bộ lập lịch MAC phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả và cung cấpQoS mong muốn trong UL, UL phải phản hồi chính xác và thông tin kịp thờiđối với khía cạch điều kiện lưu lượng và yêu cầu về QoS Các cơ chế yêu cầubăng tần đa đường lên như là yêu cầu băng tần thông qua một khoảng kênh, yêucầu “piggyback” và “polling” được thiết kế để hỗ trợ yêu cầu băng tần UL.Luồng dịch vụ UL xác định cơ chế phản hồi cho mỗi kết nối đường lên để đảmbảo bộ lập lịch UL có thể tiên đoán được Hơn nữa, với kênh con UL trực giao,không có xuyên nhiễu từ cell ngoài Lập lịch UL có thể phân bổ nguồn tàinguyên hiệu quả hơn và tham số QoS tốt hơn

 Sự phân bổ nguồn tài nguyên động: MAC hỗ trợ sự phân bổ nguồn tài nguyên

đối với DL và UL trên mỗi khung Sự phân bổ nguồn tài nguyên được phân pháttrong bản tin MAP tại bắt đầu mỗi khung Do đó, sự phân bổ nguồn tài nguyên

có thể được thay đổi từ khung–khung theo các điều kiện về kênh và lưu lượng.Hơn nữa, một số lượng nguồn tài nguyên trong mỗi lần phân bổ có thể thay đổi

từ 1 khe đến toàn bộ khung Sự phân bổ nguồn tài nguyên hạt tốt và nhanh chophép QoS tốt hơn cho lưu lượng số liệu.

 QoS oriented: Bộ lập lịch MAC xử lý truyền tải số liệu trên mỗi kết nối-kết

nối Mỗi kết nối được kết hợp với dịch vụ số liệu đơn với một tập hợp các tham

số QoS Với khả năng nguồn tài nguyên được phân bổ động trong cả DL và UL,

bộ lập lịch có thể hỗ trợ QoS cho cả lưu lượng DL và UL Cụ thể với lập lịchkênh lên-nguồn tài nguyên đường lên được phân bổ hiệu quả, QoS là tốt hơn

 Lập lịch lựa chọn tần: Bộ lập lịch có thể hoạt động trên các kiểu khác nhau của

kênh con Kênh con đảo tần số như là hoán vị PUSC, nơi mà sóng mang controng các kênh con được phân bố giả ngẫu nhiên trên băng tần, kênh con có chấtlượng tương tự Lập lịch đa dạng tần số có thể hỗ trợ QoS với tính hạt tốt vànguồn tài nguyên thời gian tần số mềm dẻo Với sự hoán vị liền kề như hoán vịAMC, kênh con có thể trải qua các cường độ khác nhau Lập lịch lựa chọn tần

số có thể phân bổ các thuê bao di động tới kênh con mạnh nhất Lập lịch lựachọn tần số có thể tăng cường khả năng hệ thống với sự tăng lên vừa phải trongtiêu đề CQI trong UL

2.3.2 Hỗ trợ QoS

Với tốc độ đường truyền vô tuyến cao, khả năng truyền tải bất đối xứng đườnglên/đường xuống và một cơ chế cấp phát tài nguyên linh hoạt, WiMAX di động hoàntoàn có thể đáp ứng được các yêu cầu QoS cho nhiều loại hình dịch vụ và ứng dụng dữliệu

Trong lớp MAC của WiMAX di động, QoS được cung cấp qua luồng dịch vụ nhưđược mô tả trong hình bên dưới Đây là luồng gói có duy nhất một hướng mà đượccung cấp với một tập các tham số QoS cụ thể Trước khi cung cấp một loại dịch vụ sốliệu cụ thể, trạm gốc và đầu cuối người sử dụng đầu tiên thiết lập một kết nối logic mộthướng giữa các MAC Sau đó, MAC kết hợp các gói qua giao diện MAC vào một

dịch vụ xác định thứ tự truyền dẫn qua môi trường vô tuyến Do đó, QoS định hướngkết nối có thể cung cấp điều khiển chính xác qua giao diện vô tuyến Do giao diện vôtuyến thường là nút cổ chai, QoS định hướng kết nối có thể cho phép hiệu quả qua điềukhiển QoS end-to-end

Bảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS

2.3.3 Quản lý nguồn

WiMAX di động hỗ trợ 2 chế độ cho hoạt động hiệu quả nguồn: chế độ sleep vàchế độ idle Chế độ “sleep” là một trạng thái trong đó MS điều khiển một giai đoạn tiềnthoả thuận về sự vắng mặt sự phục vụ của giao diện vô tuyến trạm gốc Giai đoạn nàyđược đặc trưng hoá bởi tính không khả dụng của MS, như được quan sát từ sự phục vụcủa trạm gốc, lưu lượng DL hoặc UL Chế độ sleep cho phép tối ưu công suất MS vàtối ưu sự sử dụng của nguồn giao diện vô tuyến trạm gốc Chế độ sleep cũng cung cấp

sự mềm dẻo cho MS để quét các trạm gốc khác để thu thập thông tin để hỗ trợ handoffqua chế độ sleep.

Chế độ Idle cung cấp cơ chế cho MS để trở thành khả dụng tuần hoàn cho bản tinlưu lượng quảng bá mà không đăng ký tại một trạm gốc cụ thể nào như khi MS nằmtrong môi trường liên kết vô tuyến được chiếm giữa bởi nhiều trạm gốc Chế độ idlemang lại lợi ích cho MS bởi việc không cần yêu cầu cho handoff và hoạt động bìnhthường khác và lợi ích cho mạng và trạm gốc bởi sự loại bỏ giao diện vô tuyến và lưulượng handoff mạng từ sự không hoạt động của MS trong khi vẫn cung cấp mộtphương pháp đơn giản và kịp thời cho cảnh báo MS về pending lưu lượng DL

2.3.4 Quản lý di động

Có 3 phương pháp handoff được hỗ trợ trong chuẩn 802.16e: handoff cứng (hard)(HHO-Hard Handoff), chuyển mạch trạm gốc nhanh (FBSS- Fast Base StationSwitching) và handover chuyển giao phân tập vĩ mô (MDHO - Macro DiversityHandover)

Trong những phương pháp handoff trên, HHO là bắt buộc trong khi FBSS vàMDHO là 2 chế độ tuỳ chọn Diễn đàn WiMAX đang phát triển các yêu cầu kỹ thuậtcho việc tối ưu handoff cứng trong khung của chuẩn 802.16e Những cải tiến này đượcphát triển với mục tiêu là giữ cho độ trễ lớp 2 của handoff là bé hơn 50 ms

Chuyển giao nhanh trong Wimax chỉ có thể thực hiện giữa các BS nằm trong cáigọi là Diversity Set – là tập hợp các BS hoạt động trong cùng tần số, có SINR đủ lớn

để MS có thể kết nối được và đặc biệt là chúng phải đồng bộ Trong Diversity Set nàythì chỉ có 1 BS được gọi là anchor (BS chủ lực, hay còn gọi là điểm kết nối, khớp) Sựkhác nhau giữa MDHO và FBSS là ở chỗ: đối với FBSS, MS chỉ trao đổi thông tin dữliệu thông qua BS anchor thôi, còn MDHO thì MS truyền lưu lượng dữ liệu qua tất cảcác BS nằm trong Diversity Set

Khi FBSS được hỗ trợ, MS và BS duy trì một danh sách các BS mà nó liên quanđến FBSS với MS Tập hợp này được gọi là tập hợp tích cực Trong FBSS, MS tiếp tục

giám sát trạm gốc trong tập hợp tích cực Giữa MS trong tập hợp tích cực, một BS

“anchor” được xác định Khi hoạt động trong FBSS, MS chỉ truyền thông với BS

“anchor” cho bản tin đường lên và đường xuống bao gồm quản lý và kết nối lưu lượng.Chuyển dịch từ một BS “Anchor” tới một BS khác (ví dụ chuyển mạch BS) được thựchiện mà không cần đề bản tin báo hiệu HO bắt buộc Thủ tục cập nhập “Anchor” đượcthực hiện bởi độ dài tín hiệu truyền thông của BS phục vụ thông qua kênh CQI.Chuyển giao FBSS bắt đầu với một quyết định bởi một MS để nhận và truyền số liệu

từ một BS “anchor” mà có thể thay đổi trong một tập hợp tích cực MS thông báo NSđược lựa chọn và thủ tục cập nhập tập hợp tích cực MS quét các BS lân cận và lựachọn từ những BS này ra các BS phù hợp và thủ tục cập nhập tập hợp tích cực đượcthực hiện bởi BS và MS MS tiếp tục giám sát độ dài tín hiệu của BS mà trong tập hợptích cực và lựa chọn một BS từ một tập hợp để trở thành BS “anchor” MS thông báo

BS “anchor” được lựa chọn trên CQICH hoặc MS bắt đầu bản tin yêu cầu HO Mộtyêu cầu quan trọng của FBSS là các số liệu được truyền đồng thời tới tất cả các thànhviên của tập hợp tích cực của BS mà cho phép phục vụ MS

Với MS và BS mà hỗ trợ MDHO, MS và BS duy trì một tập tích cực các BS màliên quan đến MDHO trong MS Giữa các BS trong tập hợp tích cực, BS “anchor”được xác định Khi hoạt động trong chế độ MDHO, MS truyền thông với tất cả BStrong tập hợp tích cực của bản tin unicast đường lên và đường xuống và lưu lượng.MDHO bắt đầu khi MS quyết định truyền hoặc nhận bản tin unicast và lưu lượng từnhiều BS trong cùng một khoảng thời gian Cho MDHO đường xuống, 2 hoặc nhiều

BS cung cấp truyền dẫn đồng bộ cho số liệu đường xuống MS mà kết hợp đa dạngđược thực hiện tại MS Cho MDHO đường lên, truyền dẫn từ một MS được nhận bởi

đa BS trong khi sự đa dạng lựa chọn trong thông tin nhận được được thực hiện

2.3.5 Bảo mật

WiMAX di động hỗ trợ tốt nhất các đặc điểm an ninh bằng cách sử dụng các công

quản lý chìa khoá mềm dẻo, mã hoá lưu lượng mạnh, bảo vệ bản tin mặt phẳng quản lý

và điều khiển, và các tối ưu giao thức an ninh cho chuyển vùng nhanh

Các khía cạnh sử dụng cho các đặc điểm an ninh là:

 Giao thức quản lý chìa khoá: giao thức quản lý chìa khoá phiên bản 2 (PKM

v2) là thành phần cơ bản trong an ninh WiMAX di động được xác định trong802.16e Giao thức này quản lý an ninh MAC sử dụng bản tin PMK-REQ/RSP,nhận thực PMK EAP, điều khiển mã hoá lưu lượng, trao đổi chìa khoá handover

và tất cả bản tin an ninh multicast/broadcast được dựa trên giao thức này

 Nhận thực thiết bị/ người sử dụng: WiMAX di động hỗ trợ nhận thực thiết bị

và người sử dụng sử dụng giao thức IETF EAP bằng việc cung cấp hỗ trợ

“credentials” được dựa trên SIM, hoặc dựa trên USIM hoặc chứng nhận số hoặcdựa trên tên người sử dụng/mật khẩu Tương ứng với phương pháp nhận thựcEAP-SIM, EAP-AKA, EAP-TLS, EAP-MSCHAPv2 được hỗ trợ thông quagiao thức EAP

 Mã hoá lưu lượng: AES-CCM là một mã hoá được sử dụng để bảo vệ tất cả số

liệu người sử dụng qua giao diện WiMAX MAC di động “Chìa khoá” được sửdụng cho mã hoá được tạo ra từ việc nhận thực EAP

 Bảo vệ bản tin điều khiển: số liệu điều khiển được bảo vệ bằng việc sử dụng

AES hoặc sử dụng CMAC hoặc sơ đồ HMAC dựa trên MD5

 Hỗ trợ chuyển vùng nhanh: Một sơ đồ bắt tay 3 bước được hỗ trợ bởi

WiMAX di động để tối ưu cơ chế nhận thực lại cho hỗ trợ chuyển vùng nhanh

Cơ chế này cũng hữu ích trong việc chống lại việc tấn công giữa chừng bởi “conngười” “hacker”

2.3.6 Truy nhập kênh truyền

Khi một MS mở máy nó sẽ tiến hành các bước sau để kết nối với trạm BS nhưđược mô tả ở hình dưới đây