WiMAX và ỨNG DỤNG kỹ THUẬT OFDM TRONG WiMAX

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: WiMAX VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG WiMAX Giảng viên hướng dẫn: Cán bộ phản biện PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNG : Hà Nội, 6 - 2010 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -------------------------------------------------- --------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa : 50 Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện Tử - Viễn Thông 1. Đầu đề đồ án: WiMAX VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG WiMAX……………………………………………………………….. 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……………………………………..……………………………………………..……..…………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………….….. ………………………..……………………………………………………………………………………. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………………………………………………………………………………………………………………..…. …………………………………………………………………………………………………………………………………….. …. ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. ….…………………………………………………………………………………………… 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..…. …………………………………………………………………………………………………………………………..………. …………………………………………………………………………………………………………. 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………..…………………… 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….…………… 7. Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..……… Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ....................................................................... Số hiệu sinh viên: ........................... Ngành: .................................................................................................. Khoá: .................................................... Giảng viên hướng dẫn:.................................................................................................................................................... Cán bộ phản biện: ....................................................................................................................................... 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................. Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) 3 LỜI NÓI ĐẦU Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) nó đánh dấu sự bắt đầu cho một kỷ nguyên truy nhập không dây băng rộng cố định đang đến giai đoạn phát triển. Nó mang đến những thách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì nó có một chi phí thấp khi lắp đặt và bảo trì. Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng truyền thông vô tuyến đường dài (lên tới 50km) trong thực tế và có thể sẽ là một sự bổ sung hoặc thay thế cho mạng 3G. Tất cả những đặc tính đầy hứa hẹn này của WiMAX sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài: “WiMAX VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG WiMAX”. Tôi xin chân thành cảm ơn thấy giáo Nguyễn Quốc Trung và cũng đồng thời là giáo viên hướng dẫn tôi, người luôn tận tình chỉ bảo, dạy dỗ về mặt chuyên môn và luôn động viên khích lệ về mặt tinh thần cho tôi để tôi hoàn thành đồ án này. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến bố mẹ và những người thân của tôi. Những người luôn theo sát và ủng hộ thôi trong quá trình học tập cũng như làm đồ án tốt nghiệp tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tôi đã rất nỗ lục để hoành thành đồ án này. Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè Xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2010 4 TÓM TẮT Mục tiêu đầu tiên của đồ án này là nghiên cứu những đặc tính mới của WiMAX và tập trung chủ yếu vào việc phân tích lớp vật lý (PHY) và lớp truy nhập (MAC) của 2 chuẩn WiMAX đang được sử dụng phổ biến hiện nay, đó là chuẩn IEEE 802.16d -2004 ( Fixed WiMAX) và chuẩn IEEE 802.16e – 2005 ( Mobile WiMAX) Mục tiêu thứ hai là tìm hiểu về kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple – Ghép kênh phân tần trực giao) và kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao) được sử dụng trong WiMAX Mục tiêu thứ ba là thực hiện việc mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật OFDM 5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ  Giới thiệu chương: Chương I cung cấp cho chúng ta một cái nhìn bao quát nhất để có thể nắm được thế nào là mạng không dây băng rộng và các đặc điểm nối bật của mạng không dây băng rộng. Tiếp đó chúng ta sẽ nắm được sơ qua WiMAX là gì, các chuẩn của WiMAX, kiến trúc mạng, các đặc điểm chung và các băng tần sử dụng của WiMAX, qua đó để thấy được vài trò của WiMAX so với các công nghệ hiện có. 1.1 Khái niệm về mạng không dây băng rộng 1.1. 1.1.1.Mạng không dây Để kết nối những thiết bị như máy tính và máy in, những mạng máy tính truyền thống đòi hỏi dây cáp. Những dây cáp thể hiện kết nối về mặt vật lý giữa những thiết bị như hub, switch hoặc những thiết bị khác để tạo thành mạng. Mạng dữ liệu không dây kết nối những thiết bị mà không cần cáp. Chúng dựa trên những tần số vô tuyến để truyền dữ liệu giữa các thiết bị với nhau. Về phía người dùng, mạng dữ liệu không dây làm việc giống như hệ thống có dây. Người dùng có thể chia sẻ file và những ứng dụng, trao đổi e-mail, truy nhập máy in, chia sẻ truy nhập Internet và thực thi các tác vụ khác như mạng có dây. 1.2. 1.1.2.Thế nào là mạng băng rộng? Băng rộng là khái niệm thể hiện khả năng hỗ trợ ở cả hướng từ nhà cung cấp tới khách hàng (downstream) và từ khách hàng tới nhà cung cấp (upstream) với tốc độ tối thiểu là 200 kbps. Ngày nay, nhu cầu của khách hàng ngày càng cao và gia tăng. Người tiêu dùng không đơn thuần chỉ muốn truyền Email, văn bản Text, Fax… mà họ mong muốn sử dụng các dịch vụ đa phương tiện như: hội nghị truyền hình, điện thoại hình, nghe nhạc và xem phim trực tuyến… Khi đó tốc độ 33,6Kbps, thậm chí 56Kbps trên cáp đồng trục không thể đáp ứng để triển khai các dịch vụ loại này. Hiện tại khi mà tốc độ của mạng lõi của nhà mạng cung cấp dịch vụ Internet (ISP) đã được tăng đáng kể, khả năng xử lí tại đầu cuối phía khách hàng cũng ngày một mạnh thì việc mạng truy nhập vẫn hạn chế như vậy gây ra hiện tượng nghẽn cổ chai 6 (bottleneck). Vấn đề được đặt ra là cần phải cải thiện nốt mạng truy nhập để nó đáp ứng được nhu cầu của các nhà cung cấp dịch vụ lẫn khách hàng. Công nghệ băng rộng chính là công nghệ sinh ra để giái quyết vấn đề về mạng truy nhập. Đó là thuật ngữ chỉ bất kì loại truy cập internet tốc độ cao nào. Công nghệ băng rộng cho phép các cá nhân hoăc các tổ chức có thể truy cập Internet cả 24h trong ngày tạo một môi trường cho việc sử dụng hoặc cung cấp các dịch vụ chất lượng cao. 1.3. 1.1.3.Đặc điểm nổi bật của mạng không dây băng rộng - Đặc điểm đầu tiên là cho phép thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách rất đơn giản, tiết kiệm, có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời với khả năng cơ động mềm dẻo cao, có thể thiết lập mạng ở những khu vực rất - khó nối dây, tiết kiệm chi phí đi dây tốn kém. Đặc điểm thứ hai là nhanh, nó cho phép truy cập với một tốc độ gấp 10-20 lần so với phương pháp quay số thông thường, thậm chí hơn nữa. Khi ta dùng modem để quay số, tốc độ chỉ có thể đạt từ 30 đến 50Kbps còn với một kết nối băng rộng, - tốc độ lên tới từ 256Kbps đến 10Mbps, phụ thuộc vào dịch vụ mà ta chọn. Đặc điểm thứ ba là luôn kết nối. Bất kì khi nào máy tính được bật lên thì nó đều ở trạng thái kết nối với internet. Điều này có nghĩa là không phải lãng phí thời gian cho việc quay số và đợi modem kết nối mỗi lần muốn vào interntet. Sẽ không xảy ra tình trạng bị cảnh báo mạng bận hoặc hiếm khi bị rớt ra khỏi mạng. Không bắt buộc phải ngừng dịch vụ điện thoại trong khi dùng dịch vụ internet. Điều này có nghĩa là thuê bao hoàn toàn không phải trả tiền cho đường dây thuê bao thứ hai. Hơn thế nữa cũng có thể chia sẻ giữa nhiều máy với nhau thông qua một kết nối internet. Trong 3 đặc điểm trên, đặc điểm đáng nói nhất của công nghệ băng rộng chính là tốc độ. Chính vì đạt được tốc độ cao như vậy nên có thể triển khai được rất nhiều các dịch vụ khác mà với các kết nối quay số thông thường không thể làm được. Điều này đồng nghĩa với việc thúc đẩy sự phát triển của internet, sự phát triển của các dịch vụ xã hội khác. Có thể kể qua ở đây một số dịch vụ đáng chú ý như: dịch vụ cho phép truyền các tệp tin với dung lượng lớn, có thể là tệp văn bản, tệp âm thanh, tệp hình ảnh, tệp phim…; các dịch vụ nhắn tin nhanh (instant message); dịch vụ hội tụ tốc độ cao (video conferencing). 1.2 Công nghệ WiMAX 1.2.1 Định nghĩa về WiMAX 7 WiMAX là tên viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access Wimax là một công nghệ không dây băng rộng, hỗ trợ nhiều dạng truy nhập khác nhau: cố đinh hoặc không cố định. Để đặt ra những yêu cầu cho các loại truy nhập khác nhau này, 2 phiên bản của WiMAX đã được IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers - Viện các kỹ sư điện và điện tử) định nghĩa: phiên bản WiMAX đầu tiên dựa trên chuẩn 802.16 – 2004, thích hợp cho dạng truy nhập chố định (Fixed WiMAX); phiên bản thứ 2 dựa trên chuẩn 802.16e (được hợp chuẩn năm 2005), hỗ trợ kết nối cả cố định và di động (mobile WiMAX). Hình 1.1 Lộ trình công nghệ WiMAX Fixed WiMAX là công nghệ mạng thích hợp cho những thiết bị truy nhập cố định tại chỗ, hoặc có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác nhưng trong quá trình kết nối thì phải cố định (di chuyển chậm vẫn có thể kết nối nhưng chấp lượng không cao). Công nghệ này được định nghĩa qua chuẩn 802.16 – 2004 (bản chính thức). Mobiel WiMAX là một giải pháp không dây băng rộng cho phép hội tụ cả mạng băng rộng cố định và di động sử dụng một công nghệ truy nhập băng rộng chung và một kiến thức mạng mềm dẻo. Công nghệ mạng hỗ trợ cho các ứng dụng di động, cho phép thiết bị có thể di chuyển với một tốc độ cao trọng khi đang kết nối. Mobile WiMAX dựa trên chuẩn 802.16e (được hợp chuẩn vào năm 2005). Chuẩn 802.16e được định nghĩa dựa trên chuẩn 802.16d -2004 và có thêm nhiều đặc tính mới ưu việt hơn hỗ trợ cho tính năng di động ,công nghệ đa truy nhập và anten mới được cập nhập vào chuẩn này. 8 1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16 và sự mở rộng Chuẩn IEEE 802.16 -2001 Chuẩn IEEE 802.16 -2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào tháng 4/2002, định nghĩa đặc tả kĩ thuật giao diện không gian WirelessMAN cho các mạng vùng đô thị. Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001 - Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định hoạt - động ở dài tần 10 – 66 GHz , cần thoả mãn tầm nhìn thẳng Lớp vật lý PHY : Wireless MAN –SC Tốc độ bít :32- 134 Mbps với kênh 28 MHz Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM Các dải thông kênh truyền 20 MHz ,25 MHz, 28 MHz Bán kính Cell : 2- 5 Km Kết nối có định hướng , MAC TDM/TDMA, QoS , bảo mật Chuẩn IEEE 802.16a Vì những khó khăn trong khi triển khai chuẩn 802.16, hướng vào việc sử dụng tần số từ 10 – 66GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2- 11GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng. Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau - Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc tả PHY them vào cho dải 2-11 GHz (NLOS) - Tốc độ bít tới 75MBps với kênh 20 MHz - Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang con, và 256 sóng mang con,QPSK, 16 QAM, 64 QAM - Dải thông kênh có thể thay đổi từ 1,25MHz và 20MHz - Bán kính Cell: 6 – 9 km - Lớp vật lý PHY: WirelessMAN – OFDM, OFDMA, SCa 9 - Các chắc năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ trỡ công nghệ Mesh và ARQ Chuẩn IEEE 802.16e Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng rộng 802.16e với tên gọi là Mobile WiMAX đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di chuyển. Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc tương thích với các thiết bị của nhà sản xuất khác. 802.16e hoạt động ở các băng tần nhỏ hơn 6GHz, tốc độ lên tới 15Mbps với kênh 5MHz, bán kính cell từ 2 – 5 Km. WiMAX 802.16e có hỗ trợ hanoff và roaming. Sử dụng SOFDM, một công nghệ điều chế đa sóng mang. Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng có thể sử dụng để thay đổi định. 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA cho phép só song mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA. Sự phân chia song mang trong mô hình OFDMA được thiết kế tối thiểu ảnh hưởng của nhiễu phía thiết bị người dùng và anten đa hướng. Cụ thể hơn 802.16e đưa ra hỗ trợ cái tiến hỗ trợ MIMO và ASS (Adaptive Antena System - anten thích nghi) cũng như các handoff cứng và mềm. Nó cũng cải tiến khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và đặc điểm bảo mật linh hoạt hơn. DM 10 FDM, WirelessMAN-OFDMA Bảng 1.1. Tóm tắt các đặc trưng cơ bản các chuẩn WiMAX 11 1.2.3 Băng tần của WiMAX Các dài tần cấp phép 11- 66GHz Dải tần từ 11-66 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng ngắn, tầm nhìn thẳng (LOS) và ảnh hưởng của đa đường là không đáng kể. Thông thường, độ rộng băng tần của kênh trong dải tần này là 25 MHz hoặc 28 MHz.Ở dải tần này, giao diện vô tuyến áp dụng kiểu điều chế sóng mang đơn WirelessMAN SC. Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz Các tần số dưới 11 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng lớn hơn, điều kiện LOS là không cần thiết và có thể chấp nhận đa đường lớn hơn. Nó có khả năng hỗ trợ LOS gần và NLOS. Giao diện Khả năng Các áp dụng chọn tuỳ Phương thức song công WirelessMAN-SCTM 11-66 GHz WirelessMAN-SCaTM Các băng tần dưới AAS, ARQ, TDD, FDD 11GHz được TDD, FDD cấp STC phép WirelessMAN- Các băng tần dưới AAS, ARQ, TDD, FDD OFDMTM 11GHz được cấp Mesh, STC phép WirelessMAN- Các băng tần dưới AAS, ARQ, TDD, FDD OFDMA 11GHz được cấp STC phép WirelessHUMANTM Các băng tần dưới 11 AAS, ARQ, TDD GHz được miễn cấp Mesh, STC phép Bảng 1.2 Đặc tính của các giao diện vô tuyến Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu 5- 6 GHz) 12 Đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250 MHz), thường được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà. Băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10 MHz. 1.2.4 WiMAX và các công nghệ không dây khác Mạng đô thị MAN theo định nghĩa là mạng bao phủ trên phạm vi một đô thị. Về mặt ứng dụng, trên mạng MAN người ta có thể triển khai cung cấp thông tin cho rất nhiều các loại dịch vụ công cộng khác nhau như y tế, văn hóa, xã hội… Về mặt kĩ thuật, mạng MAN là tập hợp của rất nhiều công nghệ khác nhau, mỗi công nghệ tương ứng với một phần khác nhau trong mạng. Cũng giống như các mạng LAN, WAN, mạng MAN chia làm hai loại: mạng MAN có dây và mạng MAN không dây. WiMAX là công nghệ cho mạng MAN không dây: Đã có khá nhiều công nghệ băng rộng không dây ra đời, nhưng cho tới nay, chưa có một công nghệ không dây băng rộng nào hướng tới mục tiêu cung cấp tổng hợp các giải pháp truy nhập cho mạng MAN một cách tối ưu như WiMAX. Các công nghệ đi trước chỉ cung cấp các giải pháp đơn lẻ, hướng tới một mục phần cụ thể trong mạng MAN ví dụ như LMDS hay WiFi… LMDS (Local multipoint distribution system): là công nghệ sử dụng dải tần trên 20GHz để truyền sóng. LMDS là một chuẩn hoạt động dưới sự hậu thuẫn của các tổ chức quốc tế ATM Forum, ETSI, ITU… Ở dải tần số lớn, LMDS chỉ cho phép truyền sóng trong tầm nhìn thẳng (LOS) trong phạm vi vài cây số (5-7km). LMDS cho phép triển khai các dịch vụ tốc độ cao như thoại, video, Internet… Hệ thống LMDS có tốc độ rất cao, hiệu suất điều chế của nó có thể đạt tới 5bit/Hz/s. LMDS chỉ thích hợp với các mạng trục, các tổ chức doanh nghiệp có nhu cầu về tốc độ lớn. LMDS không thích hợp với các khách hàng riêng lẻ, các hộ gia đình. WiFi: thực ra là công nghệ hướng tới các mạng LAN không dây nhưng nó vẫn có thể dùng để triển khai cho các mạng rộng hơn như MAN. Nhưng chính vì nó không được thiết kế cho MAN nên việc triển khai nó cho mạng MAN gặp rất nhiều vấn đề như: - Thứ nhất, dải tần làm việc của 802.11 là dải tần miễn phí, nhiễu rất lớn. Do đó nó hoàn toàn không thích hợp với việc triển khai các dịch vụ công cộng cỡ lớn. 13 - Thứ hai, 802.11 được thiết kế cho các mạng ít thuê bao, kênh truyền của nó cố - định kích thước khoảng 20 MHz, rất kém linh hoạt. Thứ ba, 802.11 chưa cung cấp cơ chế QoS, một vấn đề vô cùng quan trọng đối - với các hệ thống mạng đa dịch vụ. Thứ tư, mặc dù nếu ta truyền trong môi trường tốt, ít nhiễu, LOS, sử dụng các Anten định hướng với công suất đủ lớn thì WiFi có thể đạt tới khoảng cách vài km nhưng phạm vi bao phủ như thế này cũng rất hẹp. Như vậy, chỉ có sự ra đời của WiMAX mới giải quyết được tất cả các loại dịch vụ cơ bản trên của mạng MAN. Nó có thể sử dụng các trạm gốc để thiết lập tuyến trục, phân phối dịch vụ tới khách hàng riêng lẻ hoặc thiết lập nên các vùng truy nhập dịch vụ cho các doanh nghiệp hoặc địa điểm công cộng. Hiện nay, WiMAX được xem là một giải pháp toàn diện của công nghệ không dây băng rộng trong đô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… WiMAX cho phép truyền không dây các loại dữ liệu, hình ảnh, âm thanh nhanh hơn cả DSL hay cable, và tất nhiên là nhanh hơn nhiều lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu điều kiện truyền thẳng. Phạm vi bao phủ của WiMAX có thể lên tới vài chục km với tốc độ lớn nhất là 70Mbps. Băng thông của WiMAX đủ để cung cấp đồng thời hàng trăm thuê bao T1 hoặc hàng trăm thuê bao DSL. Hiện nay, việc triển khai các mạng cable, DSL có thể rất tốn thời gian và tốn kém, và kết quả là một số lượng lớn khách hàng có nhu cầu mà không được cung cấp dịch vụ. WiMAX khắc phục hạn chế này, nó có khả năng cung cấp dịch vụ nhanh chóng và dễ dàng, ngay cả ở những nơi như nông thôn, rừng núi,… những nơi vô cùng khó khăn và bất lợi đối với việc triển khai các hệ thống có dây. Trong tương lai, WiMAX sẽ được tích hợp vào các thiết bị không cố định như máy xách tay, PDA,… 14 WiMAX và 3G Với việc được đưa vào họ chuẩn quốc tế IMT-2000, WiMAX đã đứng ngang hàng với 3G trong khía cạnh chuẩn hóa quốc tế để triển khai vào thực tế. Theo quan điểm của người viết, WiMAX và 3G sẽ song song tồn tại, với những lợi thế riêng của mình: - 3G sẽ là xu hướng chính cho các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động đang sử dụng hệ thống GSM muốn cung cấp tới khách hàng của mình khả năng truy cập - Internet như là một dịch vụ gia tăng, trên những thiết bị cầm tay nhỏ gọn. WiMAX sẽ là xu hướng chính cho các nhà cung cấp dịch vụ Internet, muốn không dây hóa các dịch vụ truyền dẫn của mình thay cho hệ thống cáp có chi phí đầu tư, duy tu bảo dưỡng lớn. Bên cạnh đó WiMAX cũng có thể cung cấp dịch vụ thoại VoIP. Vượt qua 3G về khả năng điều chế, WiMAX có thể cung cấp dịch vụ dữ liệu lớn gấp 5-10 lần so với 3G để làm lợi thế cạnh tranh với 3G trong thiên hướng cung cấp dịch vụ dữ liệu với người dùng sử dụng Laptop và PDA cũng như truy cập Internet không dây cố định. 1.2.5 WiMAX được công bố là chuẩn toàn cầu Ngày 18 tháng 10 năm 2007, trong hội nghị 04 năm một lần, Hiệp hội Truyền thông Vô tuyến điện ITU chấp nhận đưa WiMAX vào họ công nghệ IMT-2000. Quyết định quan trọng này sẽ giúp tăng khả năng triển khai ứng dụng WiMAX tại nhiều nước châu Á trong đó có Việt Nam - những nơi còn đang chờ chuẩn hóa WiMAX để tận dụng kinh tế qui mô toàn cầu về công nghệ và thiết bị. Trước khi công nhận WiMAX, hệ thống tiêu chuẩn IMT-2000 đã được ITU công nhận bao gồm: WCDMA, CDMA 2000 (hiện thường được nhắc đến với tên phiên bản CDMA 2000 EV-DO), CDMA TDD (được phát triển bởi Trung quốc), WUC-136, DECT. Và quyết định mới nhất của ITU đã đưa WiMAX lên ngang tầm với công nghệ khác. Theo Tiến sỹ Ray Owen, Giám đốc công nghệ, Motorola khu vực châu Á, việc WiMAX đã được công nhận là công nghệ IMT-2000 đảm bảo cho các nhà khai thác và nhà quản lý trên toàn thế giới có thể yên tâm đầu tư vào băng thông rộng di động thực sự dùng công nghệ WiMAX. Điều này đặc biệt quan trọng tại châu Á đối với băng tần 2.5 15 GHz. Đây cũng là một bước ngoặt quan trọng giúp xoá bỏ các hoài nghi lâu nay về khả năng ứng dụng rộng rãi WiMAX để cải thiện việc phát triển băng thông rộng ở các nước đang phát triển tại châu Á. Trong bản thông cáo báo chí của Hiệp hội Truyền thông Vô tuyến điện Quốc tế (WCA), Giám đốc Hiệp hội Steve Sharkey của Motorola, trưởng nhóm nghiên cứu tư vấn cho WCA và các tổ chức ủng hộ khác trong lĩnh vực này đã khẳng định: “ITU đã có một bước tiến quan trọng, đảm bảo công chúng sẽ được hưởng lợi từ các công nghệ không dây hiện đại nhất hiện nay, khi quyết định đưa WiMAX vào họ công nghệ IMT2000. Động thái này đem WiMAX lên ngang tầm với các công nghệ GSM và CDMA và đảm bảo cho các nhà khai thác có thể yên tâm triển khai công nghệ theo nhu cầu của người sử dụng chứ không phải bị hạn chế bởi các qui định quản lý”. Chương 2 1.3 Đặc điểm cơ bản của 2 chuẩn Fixed WiMAX và Mobile WiMAX Chúng ta có thể hình dung cơ chế hoạt động của mạng WiMAX như mạng điện thoại di động. Nghĩa là có một tổng đài phát sóng và một mạng lưới các trạm phát WiMAX để phủ sóng đến từng người dùng cuối. Phạm vi phủ sóng lớn nhất của trạm WiMAX đạt 50km. Hình 1.2 Mô hình WiMAX 16 Vì công nghệ WiMAX hỗ trợ cho cả dạng truy nhập cố định (Fix) và di động (mobile) nên hệ thống WiMAX cũng có những đặc điểm khác nhau đối với 2 dạng truy nhập khác nhau này. 1.3.1 Đặc điểm của Fixed WiMAX - Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50Km - Tốc độ truyền có thể thay đổi , tối đa là 70Mb/s - Hoạt động trong ca 2 môi trường truyền dẫn: đường truyền nhìn thẳng LOS và - đường truyền che khuất NLOS Dải tần làm việc 2-11GHz và 10 -66 GHz Hướng truyền tin được chia thành 2 đường lên và xuống. Phân chia đường lên và - xuống có thể dung 2 công nghệ TDD và FDD Fixed WiMAX sử dụng phương pháp điều chế OFDM, định nghĩa kích thước của FFT là 256 với 192 sóng mang dữ liệu, 8 sóng mang dẫn đường và 55 sóng mang - bảo vệ Các phương pháp điều chế số được sử dụng là : QPSK, 16 QAM. 64 QAM; dung phối hợp các phương pháp mã hoa sửa lỗi là mã khối ( Reed salomon) cà mã - xoắn ( mã chập ) CC Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều băng con 1,75MHz. Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thêu bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh - một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sự dụng băng tần Về cấp trúc phân lớp , hệ thống WiMAX được chia thành 4 lớp: Lớp con hội tụ( convergence layer ) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên, lớp đa truy nhập ( MAC layer), lớp bảo mật ( Securty) và lớp vật lý (Physical) . Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên ) 1.3.2 Đặc điểm của Mobile WiMAX - Khoảng cách giữa trạm thu và phát trong khoảng 1,7 – 5 Km - Tốc độ truyền : 10 – 30Mb/s - Không yêu cầu truyền trong tầm nhìn thẳng - Dải tần làm việc của Mobile WiMAX tập trung trong khoảng tần số dưới 6GHz ( 2,3 GHz; 2,5 GHz; 3,3 GHz; 3,5 GHz) - Độ rộng băng tần của hệ thống từ 1,25 – 20MHz - Đường lên và xuống có thể được phân chia theo công nghệ TDD hoặc FDD, nhưng TDD được khuyến nghị sử dụng nhiều hơn vì những tính năng ưu việt của nó. 17 - Điểm khác biệt rõ nét so với Fixed WiMAX là Mobile WiMAX sử dụng công nghệ điều chế hỗ trợ đa truy nhập Scalable OFDMA (S- OFDMA), cho phép thay đổi kích thước FFT tức là thay đổi số sóng mang con. Số sóng mang con có thể là 128, 512, 1024 hay lớn nhất là 2048. Số sóng mang con này đựoc chia thành các kênh con với số lượng kênh con lớn nhất là 32. - Mobile WiMAX sử dụng phương pháp điều chế và mã hóa thích ứng, hỗ trợ các kiểu điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM. Phương pháp mã hóa sửa lỗi dùng mã xoắn CC (Convolutional Code) và mã CTC (Convolutional Turbo Code 1.4 Mô hình hệ thống Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động : Hình 1.4 Mô hình hệ thống WiMAX Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình gồm có 2 phần : - Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000km2. - Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN. Các trạm phát được kết nối tới mạng Internet thông qua các đuờng truyền Internet tốc độ cao hay kết nối tới các trạm khác như là trạm trung chuyển theo đường truyền trực xạ (line of sight) nên WiMAX có thể phủ sóng đến những khu vực xa. 18 Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền LOS hay NLOS. Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa. Băng tần sử dụng có thể ở tần số cao, khoảng 66GHz, vì ở tần số này ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng lớn. Một đường truyền LOS yêu cầu phải có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật, nếu đặc tính này không được bảo đảm thì cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể. Không gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu. Hình 1.5 Miền Fresnel trong trường hợp LOS Trong 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 đến đích. Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ. Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường truyền trực tiếp là khác nhau. 19 Hình 1.6 Truyền song trong Trường hợp NLOS Hiện tượng truyền sóng đa đường cũng là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi phân cực tín hiệu. Do đó sử dụng phân cực cũng như tái sử dụng tần số mà được thực hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS. Nếu chỉ đơn thuần tăng công suất phát để “vượt qua” các chướng ngại vật không phải là công nghệ NLOS. Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền (path loss) và quỹ công suất của đường truyền vô tuyến. Chương 3 1.5 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX Chương 4 1.5.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX 4.1. 1.5.1.1 Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền tảng kĩ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tập đa đường, cho phép WiMAX hoạt động tốt trong môi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do đó khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể lên đến 50km. Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau nên sẽ tiết kiệm, sử dụng hiệu quả băng thông và cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao: phổ tín hiệu 10MHz hoạt động ở chế độ TDD (song công phân thời) với tỉ số đường 20 xuống/đường lên (downlink-to-uplink ratio) là 3:1 thì tốc độ đỉnh tương ứng sẽ là 25Mbps và 6.7Mbps. 1.5.1.2 Hệ Thống WiMAX có công suất cao Trong WiMAX hướng truyền tin chia thành hai đường: hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink), hướng lên có tần số thấp hơn hướng xuống và đều sử dụng kĩ thuật OFDM. OFDM sử dụng tối đa 2048 sóng mang, trong đó 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương 48 sóng mang. WiMAX còn sử dụng thêm điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256 QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi như ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kết nối với hoạt động phân loại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn. Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn hướng lên và hướng xuống. 1.5.1.3 Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- truy nhập phân chia theo tần số trực giao) Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHZ đến trên 20MHz được chia nhỏ thành nhiều băng con 1.75Mhz, mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nhờ kĩ thuật OFDM, cho phép nhiều thuê bao truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt, đảm bảo hiệu quả sử dụng băng thông.OFDMA cho phép thay đổi tốc độ dữ liệu để phù hợp với băng thông tương ứng nhờ thay đổi số mức FFT ở lớp vật lí; ví dụ một hệ thống WiMAX dùng biến đổi FFT lần lượt là: 128 bit, 512 bit, 1048 bit tương ứng với băng thông kênh truyền là: 1.25MHz, 5MHz, 10MHz; nhờ vậy sẽ dễ dàng hơn cho user kết nối giữa các mạng có băng thông kênh truyền khác nhau. 1.5.1.4 Chuẩn cho truy nhập vô tuyến cố định và di động tương lai - WiMAX do diễn đàn WiMAX đề xuất và phát triển dựa trên nền 802.16, tập chuẩn về hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động và cố định của IEEE, nên các sản phẩm, thiết bị phần cứng sẽ do diễn đàn WiMAX chứng nhận phù hợp, tương thích ngược với HiperLAN của ETSI cũng như Wi-Fi. - Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoá thời gian. 21 - Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP: QoS (trong các dịch vụ đa phương tiện, thoại), ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối)… 1.5.1.5 Chi phí thấp - Thiết lập, cài đặt dịch vụ WiMAX dễ dàng sẽ giảm chi phí cho nhà cung dịch vụ cũng như khách hàng. - Tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các dịch vụ truyền thông đa phương tiện ở các vùng sâu, vùng xa, những nơi khó phát triển hạ tầng mạng băng rộng, khắc phục những giới hạn của đường truyền Internet DSL và cáp. - CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem được sử dụng trong máy tính cá nhân (PC) và PDA, vì ở khoảng cách gần các modem có thể tự lắp đặt trong nhà CPE sẽ tương tự như cáp, DSL và các trạm gốc có thể sử dụng cùng loại chipset chung được thiết kế cho các điểm truy cập WiMAX chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăng cũng thỏa mãn cho việc đầu tư vào việc tích hợp mức độ cao hơn các chipset tần số vô tuyến (RF), làm chi phí giảm hơn nữa. 1.5.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX - Dải tần của WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế - sự phổ biến công nghệ rộng rãi Do công nghệ mới xuất hiện neenv vẫn còn nhiều lỗ hổng bao mật - Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “ chuẩn “ do hiện giời đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau . Theo diễn đàn WiMAX chỉ mới khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứng nhận bao gồm: A Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim Wilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat, Aperto, Axxcelera. - Về giá thành: Dù các hãng, tập đoàn sản xuất thiết bị đầu cuối (như Intel, Alcatel, Alvarion, Motorola…) tham gia nghiên cứu phát triển nhưng giá thành vẫn còn rất cao. - Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tin chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc phục hậu quả sự cố ra sao. Ngay cả ở Việt Nam, VNPT ( với nhà thầu nước ngoài là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phía Bắc, cụ thể là ở Lào Cai 22 nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cập Internet tại Bưu điện tỉnh, huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về tính hiệu quả đáng kể của hệ thống. 1.6 Các mô hình triển khai và ứng dụng Đối với các doanh nghiệp, WiMAX cho phép truy cập băng rộng với chi phí hợp lý. Vì phần lớn các doanh nghiệp sẽ không được chia thành khu vực để có đường cáp, lựa chọn duy nhất của họ đối với dịch vụ băng rộng là từ các nhà cung cấp viễn thông địa phương. Điều này dẫn tới sự độc quyền. Các doanh nghiệp sẽ được hưởng lợi từ việc triển khai các hệ thống WiMAX, nhờ tạo ra sự cạnh tranh mới trên thị trường,giảm giá và cho phép các doanh nghiệp thiết lập mạng riêng của mình. Điều này đặc biệt phù hợp đối với các ngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp, vận tải, xây dựng và các ngành khác nằm ở những vị trí xa xôi, hẻo lánh. Đối với người sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn (nơi dịch vụ DSL và cáp chưa thể vươn tới), WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng. Điều này đặc biệt phù hợp ở các nước đang phát triển nơi mà hạ tầng viễn thông truyền thống vẫn chưa thể tiếp cận. Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phương pháp truyền thông. Nó cung cấp hoàn toàn tự do cho những người thường xuyên di chuyển, cho phép họ lưu lại kết nối thoại, dữ liệu và các dịch vụ hình ảnh. WiMAX cho phép ta đi từ nhà ra xe, sau đó đi đến công sở hoặc bất cứ nơi nào trên thế giới, hoàn toàn không có đường nối. Để minh hoạ khả năng của WiMAX cho các ứng dụng được phân cấp trong phần trước, một vài mô hình sử dụng tiêu biểu được nhóm thành hai loại lớn: các mạng công cộng và riêng. 1.6.1 Các mạng riêng Các mạng riêng, được dùng dành riêng cho một tổ chức, cơ quan hoặc cơ sở kinh doanh, cung cấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo chuyển giao tin cậy thoại, dữ liệu và hình ảnh. Triển khai đơn giản và nhanh thường được ưu tiên cao, và các cấu hình tiêu biểu là điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm. 1.6.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịnh vụ vô tuyến Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng thiết bị WiMAX để chuyển lưu lượng từ trạm gốc về các mạng truy cập của họ, như được minh hoạ ở hình 1.5 23 Hình 1.7 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc bất kỳ công nghệ truy cập vô tuyến có đăng ký độc quyền. Nếu mạng truy nhập sử dụng thiết bị WiFi, thì toàn bộ mạng WSP được xem như một hot zone. Vì các WSP thường cung cấp thoại, dữ liệu và hình ảnh, nên đặc điểm QoS của WiMAX gắn liền sẽ giúp ưu tiên, tối ưu hoá dung lượng chuyển về. Thiết bị WiMAX có thể được triển khai nhanh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giới thiệu nhanh mạng WSP. Như đã được minh hoạ, điều kiện thuận lợi chuyển về thuê từ công ty điện thoại địa phương sẽ tăng chi phí hoạt động, và triển khai giải pháp cáp quang có thể rất tốn kém và yêu cầu lượng thời gian đáng kể, tác động chống lại sự giới thiệu dịch vụ mới.Hơn nữa, cáp quang, DSL không có lợi nhuận trong các vùng nông thôn, ngoại thành, và hầu hết các phiên bản của DSL,công nghệ cáp không cung cấp được dung lượng yêu cầu cho các mạng này 24 1.6.1.2 Các mạng giáo dục Hình 1.8 Minh hoạ về mạng giáo dục Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối các trường với trụ sở ban trong một quận (huyện), như được minh hoạ ở dưới. Một số yêu cầu chính cho hệ thống trường học là NLOS, độ rộng băng tần cao (>15 Mbps), khả năng điểm tới điểm điểm tới đa điểm, và độ phủ rộng. Các mạng giáo dục dựa vào WiMAX sử dụng QoS, có thể thực hiện đầy đủ các yêu cầu thông tin liên lạc, bao gồm hệ thống thoại, hoạt động dữ liệu (như các báo cáo của sinh viên), email, truy cập internet, intranet (dữ liệu), giáo dục từ xa (hình ảnh) giữa trụ sở ban và tất cả các trường trong vùng; giữa các trường với nhau. Giải pháp WiMAX cung cấp vùng phủ rộng, làm cho nó có lợi nhuận, đặc biệt cho các trường ở nông thôn không có hoặc có ít cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc, bị phân tán khắp nơi. Khi ban phụ trách trường học sở hữu, vận hành các mạng riêng, họ có thể đáp ứng lại những thay đổi về vị trí và cách bố trí các tiện nghi của họ. Điều này giảm đáng kể chi phí vận hành các tuyến thuê hàng năm. Các giải pháp có dây không thể cung cấp khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành thấp, và hầu hết các phiên bản DSL, công nghệ cáp không có thông lượng được yêu cầu bởi các mạng giáo dục này. 1.6.1.3 An ninh công cộng Các cơ quan an ninh công cộng của chính phủ như: cảnh sát, cứu hoả, tìm kiếm và cứu hộ, có thể sử dụng các mạng WiMAX để hỗ trợ đáp lại những tình huống cấp cứu và tình trạng khẩn cấp khác, như được minh hoạ ở hình 1.9. 25 Ngoài ra WiMAX còn cung cấp truyền thông thoại hai chiều giữa trung tâm giải quyết nhanh và các đội đáp lại tình trạng khẩn cấp, mạng tiếp sóng các hình ảnh video, dữ liệu từ địa điểm vụ tai nạn hoặc thảm họa tới trung tâm điều khiển. Dữ liệu này có thể được tiếp sóng tới các đội chuyên gia cấp cứu hoặc nhân viên khẩn cấp, là những người có thể phân tích các tính huống trong thời gian thực, như thể là họ đang ở đó. WiMAX QoS cho phép mạng xử lý các loại lưu lượng khác nhau. Các giải pháp WiMAX có khả năng triển khai cao, do đó đội đáp ứng ban đầu có thể thiết lập một mạng vô tuyến tạm thời tại địa điểm vụ tai nạn, sự kiện, hoặc thảm hoạ tự nhiên trong khoảng vài phút. Họ cũng có thể tiếp sóng lưu lượng từ mạng này trở về trung tâm giải quyết nhanh hoặc trung tâm điều khiển, qua mạng WiMAX hiện hành. Hình 1.9 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng Các giải pháp có dây không phải là các giải pháp thích hợp, do tính không thể dự đoán, không ổn định của các vụ tai nạn và các thảm hoạ. Ở đây có lẽ cũng yêu cầu cả tính di động, ví dụ như: một cảnh sát đang phải truy cập cơ sở dữ liệu từ một phương tiện chuyển động, hoặc môt lính cứu hoả phải tải thông tin về tuyến đường tốt nhất tới nơi xảy ra hoả hoạn hoặc kiến trúc của tòa nhà đang bị cháy. Các máy quay video trong xe cứu thương có thể cung cấp trước thông tin về tình trạng của bênh nhân, trước khi xe cứu thương đến bênh viện. Trong tất cả các trường hợp đó WiMAX hỗ trợ tính di động và độ rộng băng tần cao, mà các hệ thống băng hẹp không thể chuyển được. 1.6.1.4 Các phương tiện đánh bắt xa bờ 26 Các nhà sản xuất ga, dầu có thể sử dụng thiết bị WiMAX để cung cấp các tuyến nối thông tin liên lạc từ các phương tiện trên mặt đất tới các giàn khoan dầu, các bệ khoan, để hỗ trợ các hoạt động từ xa, các phương tiện liên lạc cơ bản và an ninh, như được minh hoạ ở hình 1.10. Các hoạt động từ xa bao gồm: việc xử lý sự cố từ xa các vấn đề thiết bị phức tạp, kiểm tra định hướng địa điểm, và truy cập cơ sở dữ liệu. Ví dụ, các đoạn video của các thành phần hoặc các cụm lắp ráp gặp sự cố được truyền tới đội chuyên gia trên mặt đất để phân tích. An ninh gồm: kiểm tra đèn cảnh báo, giám sát video. Các phương tiện liên lạc cơ bản gồm: điện thoại, email, truy cập internet, trao đổi video. Hình 1.10 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ 1.6.2 Các mạng công cộng Trong mạng công cộng,các tài nguyên được truy cập, chia sẻ với những người sử dụng khác nhau, gồm cả các hãng kinh doanh và các cá nhân riêng biệt. Nói chung mạng công cộng yêu cầu lợi nhuận qua việc cung cấp vùng phủ song khắp nơi, vì vị trí của người sử dụng hoặc là cố định hoặc có thể dự đoán được. Các ứng dụng chính của mạng công cộng là truyền thông thoại và dữ liệu, mặc dù truyền thông video đang trở nên phổ biến hơn. An ninh là một yêu cầu then chốt, vì nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một mạng. Hỗ trợ kèm theo VLAN và mã hoá dữ liệu là giải pháp an ninh được sử dụng. Mạng công cộng bao gồm một số bối cảnh sử dụng được minh họa dưới đây. 27 28 1.6.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy nhập mạng Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng mạng WiMAX để cung cấp kết nối tới cả khu dân cư (thoại, dữ liệu và video) và hãng kinh doanh (chủ yếu là thoại và internet), được minh hoạ ở hình 1.11. Hình 1.11 Minh họa về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ WSP có thể là một CLEC (các nhà cung cấp tổng đài nội hạt cạnh trạnh) mà bắt đầu việc kinh doanh với ít hoặc không có cơ sở hạ tầng được lắp đặt. Vì WiMAX rất dễ để triển khai, nên CLEC có thể lắp đặt mạng nhanh chóng và ở vào thế cạnh tranh với ILEC (nhà cung cấp sóng mang tổng đài nội hạt). Kỹ thuật QoS gắn liền với WiMAX rất phù hợp với hỗn hợp lưu lượng được mang bởi CLEC. QoS MAC cũng đưa ra dịch vụ đa mức để cung cấp cho các nhu cầu dịch vụ khác nhau của khách hàng. Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ cho phép các luồng thu nhập khác nhau, tuy nhiên nó giảm chi phí thu được từ khách hàng, và tăng ARPU (thu nhập trung bình trên mỗi người sử dụng). WSP chỉ cần một hệ thống quảng cáo và một cơ sở dữ liệu khách hàng. Các nhà vận hành tế bào cũng quan tâm tới ứng dụng WiMAX trong mạng của họ. Các nhà vận hành đã có các cơ sở hạ tầng quảng cáo và khách hàng, nhưng triển khai giải pháp WiMAX sẽ mở rộng thị trường trong vùng dịch vụ của họ. Tất cả các giải pháp có dây (bao gồm: cáp quang, DSL, và cáp) yêu cầu các chi phí ban đầu đáng kể để 29 xây dựng cơ sở hạ tầng. Nói cụ thể, các giải pháp có dây không phù hợp với các thị trường đang phát triển ở các nước, như các vùng nông thôn, thị trấn nhỏ hoặc rìa ngoại ô của các trung tâm lớn. 1.6.2.2 Kết nối nông thôn Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng WiMAX để phát triển dịch vụ cho các thị trường ít được quan tâm trong các vùng nông thôn, vùng ngoại ô của các thành phố, như được minh hoạ ở hình 1.12 Hình 1.12 Kết nối nông thôn Sự phân phát kết nối nông thôn là vấn đề then chốt trong các nước đang phát triển và các vùng ít được quan tâm của những nước phát triển, mà ở đó không có hoặc có rất ít cơ sở hạ tầng có giá trị. Kết nối thông thôn chủ yếu cung cấp dịch vụ internet và điện thoại. Vì WiMAX cung cấp vùng phủ rộng nên đây là một giải pháp mang lại lợi nhuận nhiều nhất. 1.7 Tình hình thí nghiệm, thương mại hoá WiMAX trên thế giới và ở Việt Nam 1.7.1 Thử nghiệm và thương mai hoá WiMAX trên thế giới Tính đến thời điểm tháng 9 năm 2007, trên thế giới đã có hơn 300 thử nghiệm WiMAX và hơn 95 hệ thống WiMAX thương mại. Hình vẽ dưới đây thể hiện các hệ thống WiMAX đã được phát tiển trên thế giới (nguồn: tập đoàn Intel): 30 Hình 1.13 Tổng quan về tình hình triển khai WiMAX trên thế giới Trong hình vẽ trên, tần số được thử nghiệm được thể hiện bằng màu sắc như hình dưới: Trong ba dải tần số được sử dụng để thử nghiệm và xây dựng hệ thống thương mại tính đến tháng 09 năm 2007, chúng ta có thể thấy: - Tần số 3.3-3.8 Ghz được sử dụng nhiều nhất. Tần số này được sử dụng nhiều ở - Châu Âu, Châu Á, Châu Phi và Nam Mỹ. Tần số 2.3 – 2.7 Ghz được sử dụng nhiều ở Mỹ, Nhật và một số nước ở Đông - Nam Á. Tần số 5.0-6.0 Ghz, là tần số không cần cấp phép, tương tự như dải tần số 2.4Ghz của WiFi, được sử dụng ở một số nơi, nhiều nhất là ở Nga. Tháng 09 năm 2007 các hãng Acer, Lenovo, Asus, Matsushita công bố kế hoạch bán máy tính xách tay gắn chip WiMAX Centrino của Intel hỗ trợ chuẩn kết nối Internet không dây diện rộng WiMAX mang tên Montevina vào năm 2008. Các máy tính xách tay này sẽ được tích hợp chip tích hợp cả WiFi và WiMAX, tạo điều kiện cho người dùng đầu cuối có thể dễ dàng lựa chọn kết nối với một trong hai công nghệ trên. 31 Mỹ, Hàn Quốc và Nhật là những nước đi tiên phong trong việc ứng dụng WiMAX vào thương mại hóa. Các nước này cam kết bằng công nghệ WiMAX, họ sẽ mang băng thông rộng không dây tới mọi miền của tổ quốc, từ thành phố cho tới những khu vực xa xôi hẻo lánh, các hải đảo xa xôi. Hiện tại ở mỗi nước đều đã quyết định đầu tư nhiều tỷ đô la cho nhiều dự án thương mại hóa Mobile WiMAX, tiêu biểu như: - Mỹ: Hãng điện thoại Sprint đã đầu tư 5 tỷ USD để triển khai WiMax tại 30 thành - phố và dự kiến 100 triệu dân sẽ đăng ký thuê bao dịch vụ. Nhật Bản: Ngày 18 tháng 9 năm 2007, Tập đoàn KDDI, Tập đoàn Intel, Công ty đường sắt Đông Nhật Bản, Tập đoàn Kyocera, công ty Daiwa Securities Group Inc, và Ngân hàng Tokyo-Mitsubishi UFJ tuyên bố cùng đầu tư vào một liên doanh có tên là Wireless Broadband Planning K.K.(WBPK). WBPK dự kiến trở thành một công ty hàng đầu thế giới trong lĩnh vực phát triển và triển khai các dịch vụ mới dựa trên công nghệ WiMAX di động, đồng thời dự định sẽ cung cấp - các dịch vụ này trên toàn cầu thông qua các thỏa thuận chuyển vùng quốc tế. Hàn Quốc: SK telecom và Korean telecom là hai hãng đi đầu ứng dụng WiMAX vào thương mại hóa. Từ năm 2006, Hàn quốc đã sử dụng WiBro một biến thể của WiMAX để cung cấp dịch vụ truy nhập băng thông rộng không dây. 1.7.2 Thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam Thử nghiệm WiMAX cố định: Tháng 03 năm 2006, Bộ bưu chính viễn thông Việt Nam cấp phép cho 4 Tổng công ty, tập đoàn thử nghiệm Fixed WiMAX ở dải tần số 3.3-3.4Ghz gồm: - Tập đoàn bưu chính viễn thông Việt Nam VNPT Tổng công ty truyền thông đa phương tiện VTC Tổng công ty viễn thông quân đội Viettel Tập đoàn FPT Sau đó, công ty viễn thông điện lực EVN cũng đã được cấp phép thử nghiệm Fixed WiMAX. Với giấy phép thử nghiệm được Bộ BCVT cấp ngày 17 tháng 03 năm 2007, Tập đoàn VNPT đã giao cho Công ty điện toán và truyền số liệu VDC tiến hành nghiên cứu thử nghiệm và đánh giá Fixed WiMAX thông qua Dự án thử nghiệm WiMAX được phối 32 hợp thực hiện với Tập đoàn Intel, Quỹ hỗ trợ phát triển quốc tế Mỹ (USAID) triển khai tại Thành Phố Lào Cai. Dự án này có hai pha thực hiện khác nhau: - Pha thử nghiệm thứ nhất: Triển khai tại Thành phố Lào Cai với một trạm gốc được nối với POP VNN tại bưu điện Lào Cai để kết nối với Internet. Hai mươi trạm thuê bao được triển khai trong nội thành và ngoại thành của Thành phố. Hệ - thống thiết bị WiMAX thử nghiệm được cung cấp bởi hãng Alvarion, Israel. Pha thử nghiệm thứ hai: Triển khai tại xã Tả Van, là một xã vùng sâu, vùng xa đường sá đi lại rất khó khăn, là một trong những xã có hạ tầng viễn thông yếu kém nhất của tỉnh Lào Cai, khi chỉ chó 02 đường điện thoại PSTN về Ủy ban nhân dân xã và điểm bưu điện văn hóa xã. Sóng di động tới đây là của một BTS cách đó 10km, vượt qua địa hình hiểm trở với nhiều dãy núi cao nên sóng rất yếu và chập chờn. Pha thử nghiệm thứ hai này là một điển hình để nghiên cứu về các mặt công nghệ, lợi ích xã hội cũng như bài toán kinh tế khi sử dụng WiMAX để đưa băng thông rộng về những vùng xa xôi hẻo lãnh, những nơi mà các công nghệ truyền thống đã có khó có thể phục vụ được. Hệ thống thiết bị WiMAX thử nghiệm được cung cấp bởi hãng Airspan, Mỹ. Các đơn vị còn lại cũng đã có những thử nghiệm và đánh giá của riêng mình. Tuy nhiên thông tin về các thử nghiệm của các đơn vị trên chỉ được các phương tiện thông tin đại chúng đưa tin một cách chung chung, không cụ thể nên tôi không tổng kết vào phần viết của Luận văn này. Thử nghiệm Mobile WiMAX Ngày 01 tháng 10 năm 2007, chính phủ đã cấp phép thử nghiệm Mobile WiMAX tại Việt nam trong vòng 01 năm cho 5 nhà cung cấp dịch vụ, trong đó: - Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam VNPT sẽ thử nghiệm tại dải tần số - 2.5Ghz. Bốn doanh nghiệp sẽ thử nghiệm ở dải tần 2.3Ghz là: Tổng công ty viễn thông quân đội Vietel, Tổng công ty truyền thông đa phương tiện, Tập đoàn FPT, Công ty viễn thông điện lực EVN. Tập đoàn bưu viễn thông Việt Nam VNPT dự kiến sẽ triển khai thử nghiệm Mobile WiMAX ở Hà Nội, Thành phố Hồ Chính Minh và Đà Nẵng với thiết bị thử nghiệm được cung cấp bởi hãng Motorola, Mỹ. 33  Kết luận chương 2: Với những nội dụng được trình bày trong chương 1 đã cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về công nghệ WiMAX, chúng ta cơ bản hiểu được cấu trúc bên trong, ưu nhược điểm của wimax, và những ứng dụng trong thực tế của nó. Khi đã nắm vững những kiến thức cơ bản đó rồi thì chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng như cách thức xử lý tín hiệu trong WiMAX sẽ được trình bày trong các chương sau. 34 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ HAI CHUẨN CHÍNH CỦA WIMAX  Giới thiệu chương: Chương II này chũng ta sẽ đi tìm hiểu đặc điểm công nghệ của 2 chuẩn WiMAX đang được sử dụng rộng rãi hiện này đó là chuẩn IEEE 802.16d -2004 hay còn gọi là Fixed WiMAX và chuẩn IEEE 802.16e -2005 hay còn gọi là Mobile WiMAX. Chương này chung ta sẽ thấy được sự khác nhau giữa 2 chuẩn công nghệ này từ cấu trúc phân lớp, cấu trúc khung dữ liệu và tần số sử dụng từ đó có thể đưa ra chuẩn cộng nghệ nào sẽ phù hợp với những loại hình dịch vụ gì Chương này chúng ta sẽ đề cập đến những vấn đề các băng tần WiMAX sử dụng các mô tả kỹ thuật của chuẩn WiMAX (fixed và mobile). Cũng giống như các bộ chuẩn 802 của IEEE , 802.16 chỉ tập trung vào việc mô tả và chuẩn hoá hai lớp liên kiết dữ liệu (Datalink Layer) và lớp vật lý (Physical Layer) trong mô hình OSI. Hình 2.1 thể hiện vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY trong WiMAX. Bảng 2.1. Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY Sơ lược về các lớp trong chuẩn 802.16 nói chung: Lớp MAC mô tả trong 802.16 bao gồm ba lớp con (Sublayer): lớp con hội tụ (CS), lớp con MAC (CPS) và lớp con bảo mật. Lớp CS cung cấp bất cứ việc chuyển đổi hoặc ánh xa từ các mạng mở rộng khác như ATM, Ethernet, thông qua một điểm truy nhập dịch vụ SAP. Chính xác hơn, lớp 35 này làm nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp CPS. Cũng tại đây sẽ diễn ra sự phân lớp dịch vụ của các mạng ngoài để ánh xạ vào một dịch vụ thích hợp trong 802.16 Lớp CPS cung cấp các chức năng chính của lớp MAC, đó là các chức năng như truy nhập, phân bố băng thông, thiết lập, quản lí kết nối. Nó sẽ nhận dữ liệu từ các CS khác nhau để phân lớp vào một kết nối MAC riêng. Chất lượng dịch vụ cũng sẽ được áp dụng trong việc truyền và sắp xếp dữ liệu. Lớp con bảo mật cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa. Lớp vật lý bao gồm rất nhiều các định nghĩa khác nhau, mỗi cái thích hợp cho một dãy tần số và ứng dụng riêng. Sau đây sẽ trình bày những đặc điểm chính về lớp MAC và PHY trong hai chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16d-2004) và WiMAX di động IEEE 802.16e-2005). 2.1 WiMAX cố định – IEEE 802.16d 2004 2.1.1 Lớp MAC 2.1.1.1 Lớp con hội tụ CS Khái niệm CID: Một kết nối được hiểu là một ánh xạ từ MAC-BS tới MAC-SS với mục đích vận chuyển lưu lượng của một loại dịch vụ. Mỗi kết nối được xác định bởi một CID là viết tắt của chữ Connection Identifier, có độ dài 16bit. Lớp con hội tụ CS thi hành một số các chức năng như nhận các PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ mà xử lí các PDU, phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP thích hợp. Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU, ánh xạ nó vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS. Để đảm bảo thực hiện được điều này, lớp CS có thể sử dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí. Hiện tại chỉ có hai định nghĩa được được cung cấp trong 802.16: ATM CS và Packet CS. ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như Ipv4, Ipv6, Ethernet, VLAN… 36 ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lí, phân lớp dịch vụ và phân phối nó xuống lớp dưới. Packet CS phân lớp các loại MAC SDU vào kết nối thích hợp, gỡ, thêm các tiêu đề, phân phối dữ liệu đến lớp con MAC, nhận dữ liệu từ lớp con MAC rồi xử lí. Các MAC SDU sẽ được phân loại bằng cách ánh xạ nó vào một kết nối riêng, điều đó cũng có nghĩa là MAC SDU sẽ được ánh xạ vào một luồng dịch vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng. Hình 2.2 thể hiện quá trình phân loại MAC SDU. Hình 2.2 Quá trình phân loại MAC SDU 2.1.1.2 Lớp con MAC CPS Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có mấy dạng kiến trúc là P2P, PMP và Mesh. - Kiến trúc P2P xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối xảy ra giữa từng - cặp BS, SS. Kiến trúc PMP là sẽ có một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau. So với P2P thì PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu suất tốt nhưng phạm vi bao phủ thường hẹp hơn nhiều. Kiến trúc PMP trong triển khai thường được tổ chức thành - các vùng (sector) và nó hỗ trợ tốt trong truyền thông multicast. Kiến trúc Mesh là kiến trúc mà bao giờ cũng có một đường liên kết giữa hai điểm bất kì. 37 Mặc dù 802.16- 2004 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiến trúc được quan tâm nhất. Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS. Trên đường xuống (downlink), dữ liệu đưa tới SS được hợp kênh theo kiểu TDM. Các SS chia sẻ đường lên theo dạng TDMA. MAC 802.16 theo kiểu hướng kết nối (connection-oriented). Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch vụ không kết nối (connectionless) cố hữu, được ánh xạ tới một kết nối. Điều đó cung cấp một cơ chế cho yêu cầu dải thông, việc kết hợp QoS và các tham số về lưu lượng, vận chuyển và định tuyến dữ liệu đến lớp con quy tụ thích hợp và tất cả các hoạt động khác có liên quan đến điều khoản hợp đồng của dịch vụ. Các kết nối được tham chiếu đến các CID 16-bit (16-bit connection identifier) và có thể yêu cầu liên tiếp dải thông được cấp phát hay dải thông theo yêu cầu. Đánh địa chỉ và kết nối Mỗi SS sẽ có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48bit, giống như được định nghĩa trong 802 nói chung. Địa chỉ này là duy nhất cho thiết bị trên toàn thế giới. Nó được sử dụng trong quá trình khởi tạo kết nối. Nó cũng có thể được dùng để chứng thực giữa BS và SS với nhau. Lúc vào mạng, SS được gán ba kết nối quản lý (management connection) cho mỗi hướng (Uplink hoặc Down link). Ba kết nối này phản ánh ba yêu cầu QoS khác nhau được sử dụng cho ba mức quản lý khác nhau giữa BS và SS. Kết nối đầu tiên là kết nối cơ sở (basic connection) được dùng để truyền các thông điệp ngắn, “time-critical MAC” và RLC (radio link control). Kết nối quản lý sơ cấp (primary management connection) được sử dụng để truyền các thông điệp dài hơn, chịu trễ nhiều hơn như những gì được sử dụng để chứng thực và cài đặt kết nối. Kết nối quản lý thứ cấp được sử dụng để truyền các thông điệp quản lý dựa trên cơ sở các chuẩn như DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), TFTP (Trivial File Transfer Protocol) và SNMP (Simple Network Management Protocol). Ngoài những kết nối quản lý này, các SS được cấp phát các kết nối vận chuyển (transport connection) cho các dịch vụ đã ký hợp đồng. Những kết nối vận chuyển theo một hướng duy nhất đơn giản hoá các tham số QoS đường lên và đường xuống khác nhau và các tham số lưu lượng. Ngoài ra MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung cho những mục đích khác như sự truy nhập lúc khởi đầu trên cơ 38 sở cạnh tranh, sự truyền quảng bá (broadcast) cho đường xuống hoặc sự kiểm tra tuần tự (polling). Định dạng MAC PDU MAC PDU là đơn vị dữ liệu được dùng để trao đổi thông tin giữa các lớp MAC của BS và SS. MAC PDU có hai dạng, dạng thông thường và dạng yêu cầu băng thông. MAC PDU thông thường bắt đầu bởi một tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải (payload), tải có độ dài thay đổi, chính vì vậy mà MAC PDU cũng có chiều dài thay đổi. Và cuối cùng là mã CRC. MAC PDU yêu cầu băng thông thì chỉ có phần tiêu đề. Hình 2.3 Cấu trúc của MAC PDU Mỗi MAC PDU bao gồm phần tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải, tải thông thường bao gồm các tiêu đề con (subheader) và MAC SDU. Tải cũng có thể có độ dài bằng 0 trong trường hợp đó là MAC PDU dùng để yêu cầu băng thông. CRC (Cyclical Redundancy Checking) là mã vòng kiểm soát lỗi cho cả phần header và payload trong MAC PDU tương ứng với nó. CRC chỉ được gắn vào MAC PDU khi đó là MAC PDU thông thường (chứa thông tin quản lý hoặc dữ liệu). Như vậy, MAC PDU yêu cầu băng thông không được bảo vệ bằng CRC. Quá trình xây dựng MAC PDU Trước khi được truyền đi, lớp MAC sẽ phải xây dựng MAC PDU một cách hợp lí và hiệu quả nhất. Quá trình này bao gồm các bước sau: - Quá trình móc nối: Nhiều MAC PDU có thể được kết hợp với nhau vào một phiên truyền ( PDU dữ liệu, PDU yêu cầu băng thông,…). Quá trình này có thể - thực hiện ở cả đường lên và đường xuống. Quá trình phân mảnh: Quá trình này chia một MAC SDU có kích thước lớn thành nhiều MAC PDU có kích thước hợp lí hơn. Quá trình này đước sử dụng đối 39 với các dịch vụ mà gói tin có kích thước lớn, như voice, video,.. Được dùng để khai thác một cách hiệu quả băng thông liên quan đến chất lượng dịch vụ. Nó có - thể được thực hiện ở cả đường lên và đường xuống. Quá trình đóng gói (packing): Quá trình kết hợp nhiều MAC SDU thành một MAC PDU. Các kết nối phải cho phép mang các gói tin có kích thước thay đổi để khai thác được hiệu quả tính năng này. Cả hai quá trình phân mảnh và đóng gói có thể được bắt đầu bởi một BS cho một kết nối đường xuống hoặc một SS cho một kết nối đường lên. Hai quá trình này được cho phép đồng thời để có thể sử dụng dải thông một cách hiệu quả. Yêu cầu dải thông và cấp phát Khi vào mạng, mỗi SS đựoc gán đến 3 CIDs cho các mục đích gửi và nhận những thông điệp điều khiển. 3 cặp kết nối CID này được sử dụng để phân biệt các mức QoS của các kết nối khác nhau. Yêu cầu tăng hoặc giảm băng thông rất cần thiết cho tất cả các dịch vụ ngoại trừ kết nối UGS (dịch vụ cấp phát tự nguyện) có tốc độ bit không đổi. Ngoài ra các kết nối khác có nhu cầu tăng hoặc giảm băng thông phụ thuộc vào lưu lượng truyền. Khi một SS cần yêu cầu băng thông trên một kết nối với dịch vụ lập lịch BE (Best Effort), nó gửi một thông điệp đến BS bao gồm nhu cầu tức thì về kết nối DAMA (DAMA là một dịch vụ cung cấp tài nguyên khi SS phát sinh nhu cầu). QoS cho kết nối đã được tạo lập tại lúc thiết lập kết nối và được tìm kiếm bởi BS. Hỗ trợ PHY và cấu trúc khung MAC IEEE 802.16-2004 hỗ trợ cả TDD lẫn FDD. Sự lựa chọn giữa hai công nghệ song công này có những ảnh hưởng nhất định đến thông số lớp PHY cũng như tác động đến các đặc tả hỗ trợ của MAC. Ở hệ thống FDD, đường lên và đường xuống được đặt ở những tần số riêng biệt, dữ liệu đường xuống có thể được phát "continuous" (liên tục) hoặc theo từng "burst" (không liên tục). Các đường xuống “continuous” có tính đến các kỹ thuật nâng cao hiệu suất như “interleaving” (chèn). Các đường xuống “burst” (hoặc FDD hoặc TDD) cho phép sử dụng nhiều kỹ thuật nâng cao khả năng và dung lượng hơn như “burstprofiling” thích ứng mức thuê bao và các hệ thống ăngten cải tiến. 40 MAC xây dựng khung con (subframe) của đường xuống bắt đầu với một đoạn điều khiển khung có chứa các thông điệp DL-MAP và UL-MAP. Chúng chỉ ra những chuyển tiếp PHY trên đường xuống cũng như những định vị dải thông và các “burstprofile” ở đường lên. DL-MAP luôn có thể ứng dụng cho khung hiện thời và luôn có độ dài tối thiểu là hai block FEC. Sự chuyển tiếp PHY đầu tiên được biểu thị trong block FEC đầu tiên, cho phép thời gian xử lý thích ứng. Trong cả hai hệ thống TDD và FDD, UL-MAP cung cấp các định vị bắt đầu không muộn hơn khung đường xuống tiếp theo. Tuy vậy, UL – MAP có thể định vị sự khởi đầu khung hiện thời, miễn là những thời gian xử lý và những độ trễ toàn phần ( round – trip delay) phải được giám sát Điều khiển Kết nối Radio (RLC- Radio Link Control) Công nghệ được cải tiến của PHY 802.16-2004 đòi hỏi RLC nâng cao, đặc biệt khả năng PHY để chuyển tiếp từ một burst-profile tới một burst-profile khác. RLC phải điều khiển khả năng này cũng như các chức năng RLC truyền thống. Uplink Scheduling Services (các dịch vụ lập lịch đường lên) - Mỗi kết nối theo hướng đường lên được ánh xạ đến một scheduling-service. Mỗi scheduling-service liên quan đến một tập các quy tắc dựa trên trình lập lịch BS (BS-scheduler) chịu trách nhiệm cấp phát dung lượng cho đường lên và giao thức cấp phát theo yêu cầu giữa SS và BS. Đặc tả chi tiết các quy tắc và scheduling-service được dùng cho một kết nối đường lên đặc thù được thỏa thuận tại thời gian cài đặt kết nối. Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS (unsolicited grant service) được biến đổi để mang lại các dịch vụ tạo ra những đơn vị cố định dữ liệu theo chu kỳ. Khi được sử dụng với UGS, đầu mục con quản lý cấp phát gồm poll-me bit cũng như slip indicator flag (cờ báo lỗi) cho phép SS báo cáo rằng hàng đợi truyền bị ùn do các yếu tố như mất sự cấp phát hay lệch giờ giữa hệ thống và mạng bên ngoài. Nhờ vào sự phát hiện slip indicator flag, BS có thể cấp phát dung lượng bổ sung nào đó cho SS, cho phép nó hồi phục trạng thái hàng đợi trung bình. Những kết nối được cấu hình với UGS thì không được phép sử dụng những cơ hội truy nhập ngẫu nhiên cho các yêu cầu. 41 Quá trình khởi tạo và đi vào mạng Hệ thống hỗ trợ những thủ tục cho quá trình đăng kí vào mạng của một SS mới. Thủ tục này bao gồm những pha nhỏ sau: - Sự thu nhận kênh (Channel Acquisition): Giao thức MAC bao gồm một thủ tục khởi tạo được thiết kế để loại trừ nhu cầu cấu hình thủ công. Vào lúc cài đặt, một SS bắt đầu quét danh sách tần số của nó để tìm ra một kênh hoạt động. Nó có thể được chương trình hoá để đăng ký với một BS xác định, tham chiếu đến một broadcast ID BS (có khả năng chương trình hoá). Sau khi quyết định trên kênh nào, SS cố gắng thử đồng bộ hoá sự truyền đường xuống do phát hiện ra các đoạn đầu khung theo chu kỳ (periodic frame preambles). Một khi lớp vật lý được đồng bộ hoá, SS sẽ tìm kiếm những thông báo UCD và DCD quảng bá định kỳ cho phép SS nhận biết sự điều chế và các kế - hoạch FEC sử dụng trên sóng mang. Chứng thực và đăng ký SS: Mỗi SS có chứa một giấy chứng nhận số X.509 được cài đặt từ nhà máy và giấy chứng nhận của nhà sản xuất. Các giấy chứng nhận này thiết lập một liên kết giữa địa chỉ MAC 48-bit của SS và khoá RSA dùng chung, được gửi cho BS từ SS trong những thông báo yêu cầu cấp phép và thông tin chứng thực. Mạng có khả năng xác minh sự giống nhau của SS bởi việc kiểm tra các giấy chứng nhận và sau đó kiểm tra mức cho phép của SS. Nếu SS được cấp phép để tham gia mạng, BS sẽ đáp lại yêu cầu của nó với một Authorization Reply (trả lời cấp phép) có chứa một khoá AK (Authorization Key) được mã hoá với khóa dùng chung của SS và được dùng để bảo vệ những giao dịch sau này. Trong lúc cấp phép thành công, SS sẽ đăng ký với mạng. Điều đó sẽ thiết lập kết nối quản lý thứ cấp của SS và xác định những khả năng có liên quan đến cài đặt kết nối và quá trình hoạt động MAC. Phiên bản IP được sử dụng với kết nối quản lý thứ cấp cũng được xác định trong thời gian đăng ký. - Tạo kết nối IP (tùy chọn): Sau khi đăng ký, SS giành được một địa chỉ IP qua DHCP và thiết lập thời gian trong ngày qua đường ITP (Internet Time Protocol). Server DHCP cũng cung cấp địa chỉ của server TFTP (Trivial File Transfer Protocol), từ đó SS có thể yêu cầu một file cấu hình. File này cung cấp một giao diện chuẩn đưa ra thông tin cấu hình đặc trưng của nhà cung cấp. 42 - Cài đặt kết nối: Nhìn tổng thể, việc cài đặt các luồng dịch vụ trong IEEE 802.162004 được khởi tạo bởi BS trong thời gian khởi tạo SS. Tuy vậy, các luồng dịch vụ có thể cũng được thiết lập động bởi BS hoặc SS. Điển hình SS chỉ khởi tạo các luồng dịch vụ nếu có một kết nối được báo hiệu động như một SVC (switched virtual connection) từ một mạng ATM. Sự thiết lập các luồng dịch vụ được thực hiện thông qua một giao thức “three-way handshaking" (bắt tay ba bước) mà tại đó yêu cầu thiết lập luồng dịch vụ được đáp lại và sự đáp lại đó được xác nhận. Chất lượng dịch vụ trong 802.16-2004 Mạng băng rộng là nơi cung cấp rất nhiều loại dịch vụ với các yêu cầu khác nhau. Vì thế mà QoS chính là một vấn đề cơ bản đối với các mạng băng rộng. So với các mạng băng rộng không dây khác, ưu điểm lớn của 802.16 là nó hỗ trợ rất tốt vấn đề QoS. Một loạt các tính năng đảm bảo cơ chế QoS cho các loại dịch vụ khác nhau gồm cả âm thanh, hình ảnh. 802.16 cho phép các nhà cung cấp dịch vụ quản lí được lưu lượng đối với từng thuê bảo, dựa vào các thỏa thuận đã cam kết. Chất lượng dịch vụ trong 802.16 phụ thuộc vào ba yếu tố sau: - Giao thức MAC trong 802.16 hoạt động hướng kết nối (connection-oriented).Mỗi một gói tin trong 802.16 đều được đưa vào một kết nối cụ thể, kết nối này là kết nối ảo, được xác định bởi tham số CID. Việc tạo nên các kết nối ảo này khiến các gói tin được gửi đi một cách hiệu quả và nhanh chóng. Nó giống như các mạch ảo - trong ATM. Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant: Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant làm tăng hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống, đặc biệt là các hệ thông mà có nhiều thuê bao. Trong cơ chế này, SS yêu cầu lượng băng thông cấp phát từ BS thông qua một số các phương thức khác nhau. BS sẽ cấp phát - băng thông bằng cách cấp phát các timeslot tới các SS có yêu cầu. Phân loại dịch vụ: Giống như mọi hệ thống hỗ trợ tốt QoS khác, việc phân loại dịch vụ cũng là điểm cốt lõi trong việc đảm bảo QoS của hệ thống 802.16. Cơ chế hoạt động chủ yếu để cung cấp QoS trong 802.16 là đưa các gói tin khác nhau vào các dịch vụ khác nhau, các dịch vụ này được xác định bởi chỉ định bởi CID. 802.16 phân loại các luồng dữ liệu với yêu cầu QoS khác nhau vào các kết nối 43 khác nhau. Mỗi kết nỗi sẽ thuộc một loại dịch vụ và mỗi dịch vụ lại có các tham số QoS khác nhau. 2.1.1.3 Lớp con bảo mật Khác với các chuẩn không dây băng rộng khác, 802.16- 2004 thiết kế hẳn một lớp con bảo mật, lớp này làm cung cấp các cơ chế điều khiển truy nhập tin cậy, đảm bảo an toàn cho dữ liệu trên đường truyền. 802.16 chống lại việc truy cập trái phép các dịch vụ bằng việc mã hóa các luồng dịch vụ. Nó có các giao thức quản lí khóa tại BS để thực hiện chứng thực và cấp phát các khóa tới SS cần thiết. Trong quá trình thương lượng về bảo mật giữa SS và BS, nếu một SS không cung cấp các cơ chế bảo mật của 802.162004 thì các bước chứng thực và cấp phát khóa sẽ được bỏ qua. BS nếu chấp nhận điều đó thì sẽ vẫn cho phép SS được truyền dữ liệu, ngược lại BS sẽ không cho phép. Chỉ có hai loại kết nối được bảo vệ trong 802.16-2004 là các kết nối vận chuyển và kết nối thứ cấp. Các kết nối quản lí, điều khiển khác không cần phải bảo vệ. Trong bảo mật 802.16-2004 có hai loại giao thức chính: - Giao thức làm nhiệm vụ xử lí đóng gói, mã hóa: Giao thức này làm các nhiệm vụ như định nghĩa hệ thống mã hóa, kết hợp giữa mã hóa dữ liệu và chứng thực, xử - lí các MAC PDU. Giao thức quản lí khoá bảo mật PKM (Privacy Key Management): cung cấp cơ chế phân phối khóa từ BS tới SS. Thông qua giao thức này, BS và SS có thể đồng bộ khóa với nhau. BS sử dụng giao thức này để thi hành các điều kiện truy nhập vào mạng. Giao thức sử dụng nhiều khoá khác nhau khi thiết lập một sự mã hoá bảo mật. Chúng được tổng hợp lại trong bảng 2.1: 44 Bảng 2.1 Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16- 2004 2.1.2 Lớp PHY Lớp vật lý trong chuẩn 802.16-2004 có bốn đặc tả: - Đặc tả SC (Single Carrier): Sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin. - Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16 ban đầu. Đặc tả SCa: Đặc tả này cũng sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin - nhưng nó có thêm một số cải tiến. Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16a. Đặc tả OFDM: Đặc tả OFDM dựa trên nền công nghệ OFDM cho phép truyền thông tin trên nhiều sóng mang khác nhau. Đặc tả này được chuẩn hóa từ - 802.16a. Đặc tả OFDMA: Đặc tả OFDMA cũng dựa trên nền công nghệ OFDM nhưng nó hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo sóng mang. Phần dưới đây sẽ mô tả về đặc tả OFDM cho WiMAX. Thuật ngữ đầy đủ WirelessMAN- OFDM PHY dựa trên phương thức điều chế OFDM và được thiết kế cho sự truyền không trong tầm nhìn thẳng (NLOS) trong băng tần Nused NFFT = Nused + số sóng mang con bảo vệ (2 biên tần trên, dưới) + sóng mang con trung tâm - Tần số lấy mẫu: FS = floor (n . BW/8000) x 8000 - Khoảng cách giữa các sóng mang con: Δf = FS / NFFT - Thời gian hữu ích của symbol: Tb = 1 / Δf 47 - Khoảng thời gian CP (Cycle Prefix): Tg = G .Tb - Thời gian tồn tại symbol OFDM: TS = Tg + Tb Chu kì lấy mẫu = Tb / NFFT Bảng 2.2 Thông số symnol OFDM theo chuẩn 802.16 -2004 Thông số NFFT Giá trị 256 Nused 200 Số sóng mang dẫn đường Số sóng mang dữ liệu Số sóng mang bảo vệ G 8 192 55 (28 Thấp, 27 cao) 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Độ rộng kênh là bội của 1,75MHz: n = 8/7 n Độ rộng kênh là bội của 1,5MHz: n = 86/75 Độ rộng kênh là bội của 1,25MHz: n = 144/125 Độ rộng kênh là bội của 2,75MHz: n = 316/275 Độ rộng kênh là bội của 2,0MHz: n = 57/50 Các trường hợp khác: n = 8/7 2.1.2.2 Sơ đồ khối quá trình thu phát Hình 2.6 Quá trình thu phát WiMAX Thông tin từ lớp trên cũng như thông tin của lớp vật lý sẽ được nhồi vào các symbol. Để truyền được dữ liệu, các quá trình gồm có mã hóa kênh, điều chế OFDM thành các symbol và điều chế cao tần. Quá trình ngược lại ở bên nhận. 48 Mã hóa kênh truyền Gồm ba quá trình nhỏ là quá trình ngẫu nhiên hóa, quá trình mã hóa sửa lỗi FEC và quá trình xen kẽ: - Quá trình ngẫu nhiên hóa (Randomization): Quá trình được gọi là ngẫu nhiên nhưng thực chất đó chỉ là sự giả ngẫu nhiên. Tức là một cụm các bit đầu vào sẽ được biến đổi sao cho xác suất xuất hiện các bit 0 và 1 là tương đương nhau, chống lại hiện tượng quá nhiều bit 0 và bit 1 cùng xuất hiện. Nhưng quá trình này có chu kì lặp lại nên trong một khoảng thời gian nhất định thì coi nó là ngẫu nhiên. Điều này có hai tác dụng. Thứ nhất, và quan trọng nhất là nó đảm bảo được sự đồng bộ với bên thu, đồng hồ bên thu sẽ dễ dàng được khôi phục hơn, qua đó sự giải điều cũng dễ hơn. Thứ hai, đối với các thiết bị mà không có được bộ giải điều chế ngẫu nhiên thì các tín hiệu này giống như các tín hiệu nhiễu, tạp (xác suất bit 1 và 0 là ngang nhau), nó sẽ không thu nhận được. - Quá trình mã hóa sửa lỗi FEC: Đây là quá trình mã hóa để sửa lỗi trong trường hợp các bit bị hỏng, bị sai trên đường truyền. Trong những điều kiện truyền không tốt, dữ liệu bị hỏng, bên thu có thể dựa vào quá trình giải mã để hồi phục lại nguyên vẹn thông tin. WiMAX kết hợp cả hai loại mã sửa lỗi là mã khối và mã chập. Dữ liệu được mã hóa bằng mã khối (dùng mã Reed-Salomon), sau đó sẽ được mã hóa bằng mã chập (Convolutional Code). Bảng 2.3 dưới đây mô tả cụ thể đối với mã sửa lỗi với các lựa chọn khác nhau. Bảng 2.3: Mã sửa lỗi đới với các phương thức điều chế 49 Mã hóa RS(N, K, T) nghĩa là K bytes đầu vào, N bytes đầu ra và T bytes dữ liệu được sửa lỗi. Mã hóa CC với tốc độ K/N nghĩa là ta có K bytes đầu vào và N bytes đầu ra Ví dụ khi dùng điều chế QPSK với 24byte đầu vào chưa được mã hóa. Khi qua bộ mã hóa Reed-Solomon RS (32,24,4) ta sẽ có 32byte đầu ra. Tiếp tục cho qua bộ mã hóa CC 2/3 ta sẽ có 48byte đầu ra. Như vậy số byte đầu vào là 24 và số byte đầu ra tổng cộng là 48. Kết quả ta có hệ số mã hóa chung (Overall coding rate) là 1/2. Hình 2.7 Quá trình xen kẽ Ta thấy, giả sử nếu truyền như trường hợp 1, thì sẽ có trường hợp mà cụm bit a1a2a3a4 gặp quá nhiều lỗi đến mức không thể sửa được. Thực tế khi truyền dẫn nói chung, cả không dây và có dây, so với các lỗi khác thì xác suất xảy ra lỗi cụm là lớn. Vì vậy thay vì truyền cả cụm a1a2a3a4 ta thực hiện việc xen kẽ với các cụm khác rồi mới truyền. Giả dụ mà cả cụm a1b1c1d1 bị lỗi, thì khi khôi phục xen kẽ, trong cụm a1a2a3a4 cũng chỉ có bit a1 là bị lỗi, sẽ khôi phục lại dễ dàng bằng mã sửa lỗi. Tất cả các bit dữ liệu đã mã hóa sẽ được quét xen kẽ theo khối bit, kích cỡ khối bit này phụ thuộc vào số bit mã hóa và số kênh con trong 1 symbol OFDM. Bảng 2.4 dưới đây mô tả kích cỡ khối bit xen kẽ trong WiMAX. Bảng 2.4 Kích cỡ bít xen kẽ 50 2.1.2.3 Lớp con hội tụ truyền Giữa PHY và MAC có một lớp con hội tụ truyền TC (transmission convergence). Lớp này thực hiện sự biến đổi các MAC PDU độ dài có thể thay đổi vào trong các block FEC độ dài cố định (cộng thêm có thể là một block được rút ngắn vào đoạn cuối) của mỗi “burst”. Lớp TC có một PDU có kích thước khớp với block FEC hiện thời bị đầy. Nó bắt đầu với một con trỏ chỉ ra vị trí đầu mục PDU MAC tiếp theo bắt đầu bên trong block FEC. Khuôn dạng TC PDU cho phép đồng bộ hóa lại MAC PDU tiếp sau trong trường hợp block FEC trước đó có những lỗi không thể phục hồi được. Không có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một "burst" khi một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện. 2.1.2.4 Phương thức song công Cấu trúc điểm - đa điểm trong Fixed WiMAX hỗ trợ một cấu trúc khung với hai chế độ truyền song công TDD và FDD. Chế độ TDD Một khung TDD bao gồm một khung con đường lên và một khung con đường xuống như hình vẽ 2.8: Hình 2.8 Cấu trúc khung TDD 51 TTG và RTG là những khoảng trống phân cách dữ liệu đường lên và đường xuống. Độ dài cho phép của khung: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 và 20ms. - Khung con đường xuống (DL Subframe): Khung con đường xuống là một đơn vị giao thức dữ liệu lớp vật lý (PHY PDU) đường xuống. Nó bao gồm mào đầu (preamble), một header điều khiển khung (FCH), và một hoặc nhiều burst dữ liệu đường xuống. Mỗi burst dữ liệu đường xuống bao gồm một hoặc nhiều MAC PDUs và có độ dài bằng một số nguyên lần độ dài của symbol OFDM. Cấu trúc một khung con đường xuống được mô tả trong hình 2.9 dưới đây: Hình 2.9 Cấu trúc con đường xuống TDD - Khung con đường lên (Uplink Subframe) Khung con đường lên bao gồm một hoặc nhiều PHY PDU của các SS khác nhau. Mỗi PHY PDU có một mào đầu và một burst dữ liệu. Cũng như ở đường xuống, mỗi burst dữ liệu bao gồm một hoặc nhiều MAC PDU, có độ dài bằng một số nguyên lần độ dài của symbol OFDM. Cấu trúc một khungcon đường lên được mô tả trong hình 2.10 dưới đây: 52 Hình 2.10 Cấu trúc khung conn đường lên TDD Chế độ FDD Ở chế độ FDD, khung con đường lên và đường xuống được đặt ở những tần số khác nhau. Cấu trúc khung cũng giống như cấu trúc khung con đường lên và đường xuống ở chế độ TDD 2.2.1 Lớp PHY 2.2.1.1 Cơ sở về OFDMA OFDM là một công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, nó chia nhỏ băng tần thành những sóng mang con tần số khác biệt. Trong một hệ thống OFDM, chuỗi dữ liệu đầu vào được chia thành những chuỗi con song song có tốc độ thấp và mỗi chuỗi con này được điều chế và phát đi trên một sóng mang con trực giao riêng. OFDM khai thác sự đa dạng tần số của kênh truyền đa đường bằng cách mã hóa và xen kẽ thông tin được mang bởi sóng mang con trước khi truyền. Điều chế OFDM có thể được nhận dạng bằng phép biến đổi Fourier (nhanh) ngược IFFT, cho phép một số lượng lớn sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp không đáng kể. Trong hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian thể hiện qua symbol OFDM và trong miền tần số thể hiện ở sóng mang con. Tài nguyên thời gian và tần số có thể được tổ chức thành những kênh con (sub-channel) cấp cho những người dùng riêng. Công nghệ đa truy nhâp OFDMA là một cơ chế ghép kênh/ đa truy nhập cung cấp sự ghép những 53 luồng dữ liệu từ nhiều người sử dụng vào những kênh con trên đường xuống và sự đa truy nhập vào mỗi kênh con ở đường lên. Cấu trúc symbol OFDMA và Kênh con hóa Cấu trúc symbol OFDMA gồm 3 loại sóng mang con như Hình 4: - Sóng mang con dữ liệu (data) cho truyền dữ liệu Sóng mang con dẫn đường (pilot) cho mục đích ước lượng và đồng bộ Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn; được sử dụng cho các băng bảovệ và các sóng mang DC. Hình 2.11 Cấu trúc song mang con OFDMA ( miền tần số ) Các kênh con tích cực (dữ liệu và dẫn đường) được nhóm lại thành các tập con các sóng mang con gọi là các kênh. OFDMA PHY hỗ trợ kênh con hoá ở cả hướng xuống – DL và hướng lên – UL. Đơn vị tài nguyên tần số thời gian tối thiểu là một khe bằng với 48 âm điệu dữ liệu (các sóng mang con). Có hai kiểu hoán vị các kiểu sóng mang con cho kênh con hoá; phân tập (diversity) và lâncận (contiguous). Hoán vị phân tập kéo theo các sóng mang con ngẫu nhiên tạo thành cáckênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và lấy trung bình nhiễu liên tế bào. Các hoán vịphân tập gồm DL FUSC (Fully Used Sub-carrier – sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DLPUSC (Partially Used Sub-Carrier – sóng mang con sử dụng một phần) và UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm vào. Với DL PUSC, mỗi cặp symbol OFDM, các sóng mang con khả dụng được nhóm lại thành các cluster chứa 14 sóng mang con lân cận trên mỗi khoảng thời gian của symbol, với cấp phát dữ liệu và dẫn đường trong mỗi cluster trong các symbol chẵn và lẻ như mô tả trên Hình 2.12 54 Hình 2.12 Tần số DL gồm nhiều kênh con Một nguyên lý sắp xếp lại được sử dụng để tạo thành các nhóm cluster chẳng hạn mỗi nhóm được tạo thành bởi các cluster được phân bố qua không gian các sóng mang con. Mỗi kênh con trong một nhóm chứa hai cluster và được tạo bởi 48 sóng mang con và 8 sóng mang dẫn đường (pilot). Các sóng mang con dữ 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 đường trong cluster là được biểu thị trong hình 2. Các sóng mang con dữ liệu trong cluster được phân bổ cho nhiều kênh con.Cấu trúc cluster cho DL, một cấu trúc lát (tile) được định nghĩa cho UL PUSC có định dạng như Hình 2.13 Hình 2.14 Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC Không gian sóng mang con khả dụng sẽ được phân chia thành các lát (tile) và 6 lát, được chọn từ toàn bộ phổ theo nguyên lý hoán vị/ sắp xếp lại, và được nhóm lại với nhau tạo thành khe (slot). Một slot gồm 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang cón dẫn đườngtrong 3 symbol OFDM. Hoán vị lân cận nhóm một khối các sóng mang lân cận tạo thành một kênh con. Các hoán vị lân cận gồm AMC hướng DL và AMC hướng UL có cùng cấu trúc. Trong một symbol có 9 sóng mang con lân cận (gọi là bin), với 8 trong số đó được ấnđịnh cho dữ liệu (data) và 1 được ấn định cho dẫn đường (pilot). Một 55 slot trong AMC đượcđịnh nghĩa như một tập các bin của kiểu (NxM =6), trong đó N là số các bin lân cận và M là số các symbol cận. Do vậy các tổ hợp cho phép là (6 bins, 1 symbol). Quá trình kênh con hóa (sub-channelization) định nghĩa những kênh con được cấp phát cho những thuê bao khác nhau phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền và nhu cầu dữ liệu của họ. Điều này đem lại cho hệ thống khả năng mềm dẻo trong quản lý băng thông và công suất phát, dẫn đến sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn. Hiệu ứng kênh con hóa được trình bày trên hình 2.15 và 2.16. Hình 2.15 và 2.16 OFDM và OFDMA 56 Hình 2.17 Hiệu ứng kênh con hoá ( sub channelization) 2.2.1.2 SOFDMA (Scalable OFDMA) Hệ thống Wireless MAN OFDMA chuẩn IEEE802.16e dựa trên công nghệ SOFDMA. SOFDMA chính là công nghệ OFDMA nhưng kích thước FFT có thể thay đổi (tăng hoặc giảm). Thay đổi số điểm FFT chính là thay đổi số sóng mang con sử dụng trong một symbol, khi độ rộng băng tần thay đổi thì khoảng cách giữa các sóng mang con được giữ không đổi ở 10,94 kHz. Đối với độ rộng băng tần lớn, số sóng mang con được tăng lên; và ngược lại độ rộng băng tần hẹp thì cần giảm số sóng mang con. Điều này làm tăng hiệu suất sử dụng phổ trong những hệ thống độ rộng kênh tần số lớn, và làm giảm chi phí trong những hệ thống kênh hẹp. Bảng 2.5 Thông số của SOFDMA 57 2.2.1.3 Các đặc tính lớp PHY cao cấp trong Mobile WiMAX Wimax di động đã đưa ra các kỹ thuật: Điều chế thích nghi và mã hoá AMC (Adaptive modulation and coding), Yêu cầu lặp lại tự động kiểu kết hợp HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) và Phản hồi kênh nhanh CQICH (Fast Channel Feedback), để nâng cao khả năng phủ sóng, dung lượng cho Wimax trong các ứng dụng di động. Điều chế thích nghi và mã hóa AMC Trong bất kỳ mạng đa tế bào-cellular nào, thuê bao di động sẽ thử nghiệm qua các điều kiện của đường truyền phát thay đổi theo thời gian và các vị trí tương ứng. Với công nghệ OFDMA, Biểu đồ mã hoá và điều chế nhất định có thể thích ứng trên mỗi thuê bao tùy theo các điều kiện của đường dẫn để tối đa hoá thông lượng kênh truyền, trong khi vẫn duy trì chất lượng đường truyền tới mỗi thuê bao. Với hệ thống OFDMA, các sóng mang con được điều chế với QPSK hoặc điều chế QAM hiệu quả hơn và thứ tự cao hơn – với biểu đồ điều chế tinh vi hơn, đạt được thông lượng cao hơn nhưng cũng dễ bị tác động của nhiễu và các tạp âm hơn. Bằng phương pháp điều chế thích ứng và biểu đồ mã hoá lỗi, việc đáp ứng tỉ lệ này này đảm bảo số bit của mỗi sóng mang con được tối ưu tương đương với CINR cần thiết để đảm bảo kết nối vô tuyến ổn định. Các Hệ thống OFDMA cũng có thể làm tăng thông lượng tới các thuê bao cá nhân bằng cách làm tăng số lượng kênh con đã cấp tại bất kỳ thời điểm nào Hình 2.19 Điều chế thích nghi và mã hoá dựa trên khoảng cách với BS 58 Ngoài ra điều chế BPSK cũng được dùng để gửi các thông báo tín hiệu (signalling), broadcast …trong hệ thống Wimax vì nó cho 1 vùng phủ lớn nhất. Nguyên tắc "adaptive" của nó hoạt động dựa trên sơ đồ như hình dưới đây Hình 2.20 Nguyện tắc điều chế thích nghi Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM. Còn ở đường lên, 64QAM là tuỳ chọn. Cả mã hoá xoắn và mã hoá Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được hỗ trợ. Ngoài ra, mã khối Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LDPC (Low Density Party Check Code) cũng được hỗ trợ như là một tính năng tuỳ chọn. Các phương thức điều chế và mã hóa được hỗ trợ trong 802.16e được liệt kê trong bảng 2.6. Bảng 2.6 Các phương thức điều chế và Mã hoá được hỗ trợ trong 802.16e Sự kết hợp các kỹ thuật điều chế và tốc độ mã đã cung cấp sự phân giải hợp lý cho tốc độ dữ liệu như minh hoạ cho bảng 3 biểu diễn tốc độ dữ liệu cho 2 kênh 5 và 10 MHz với các kênh con PUSC. Độ dài khung là 5ms. Mỗi khung có 48 symbol OFDM, với 44 symbol OFDM là hữu dụng cho việc truyền dữ liệu. Các giá trị được đánh dấu đậm chỉ ra tốc độ bit của kỹ thuật 64QAM tuỳ chọn cho đường UL. Bảng 2.7 thể hiện tốc độ dữ liệu lớp PHY trong Mobile WiMAX. 59 Bảng 2.7 Tốc độ dữ liệu lớp PHY Mobile WiMAX Phản hồi kênh nhanh CIQCH Sự lập lịch tại trạm gốc BS (Base Station) xác định tốc độ dữ liệu phù hợp cho mỗi sự cấp phát truyền loạt dựa trên kích thước bộ đệm và điều kiện truyền sóng ở phía thu… Một kênh chỉ thị chất lượng kênh CQI (Channel Quality Indicator) được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh từ thiết bị người sử dụng đầu cuối đến bộ lập lịch trạm gốc. Những thông tin trạng thái kênh có liên quan có thể được phản hồi bởi CQICH bao gồm có: CINR lớp vật lý, hiệu suất CINR, lựa chọn chế độ MIMO và lựa chọn tần số, lựa chọn kênh con. Với kỹ thuật TDD, các liên kết thích ứng cũng có những ưu điểm về trao đổi kênh nhằm cung cấp những đánh giá chính xác hơn về tình trạng kênh. Thông điệp chỉ thị chất lượng kênh phát theo thời gian (CQI) tại khối thu rất cần thiết để điều khiển công suất thích ứng và tốc độ và mang lại hiệu quả cao. Việc hỗ trợ các dịch vụ di động yêu cầu thực hiện tác động chính xác nhanh vào thiết bị truyền phát để đảm bảo đường kết nối luôn luôn hoạt động tối ưu. Wimax di dộng xác định thông điệp CQI theo một kích cỡ nhỏ gọn (4-6 bit), do đó dẫn đến độ trễ thấp hơn và độ tin cậy cao hơn các thông điệp điều khiển bình thường. Các thông điệp CQI cung cấp các phản hồi nhanh và đáng tin cậy về điều kiện của đường dẫn tới trạm gốc. 60 Yêu cầu lặp lại tự động kiểu kết hợp HARQ Thuật toán ARQ trở nên phổ biến trong mạng không dây và mạng dùng dây để truyền lại các thông tin truyền bị lỗi. Tuy nhiên, hiệu quả của việc sử dụng ARQ yêu cầu sự lựa chọn chính xác về công suất phát và tốc độ dữ liệu trong quá trình tái truyền phát, về mặt khác, đường truyền trở nên bị lỗi. Khi quá trình duy trì các thiết lập tối ưu này trong môi trường thời gian không ổn định trở thành một thách thức cho các dịch vụ băng thông rộng di động, kỹ thuật Hyprid-ARQ (H-ARQ) được phát triển. H-ARQ trở thành 1 phần của thông số Wimax di động, khối thu tập hợp các thông tin từ một gói tin bị lỗi với hiện tượng tái truyền phát tín hiệu của cùng một gói tin cho tới khi thông tin tập hợp đủ lại để lấy lại toàn bộ gói tin. Hình 2.15 thể hiện cơ chế yêu cầu lặp lại tự động khi lỗi xảy ra. Hình 2.20 Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra HARQ được phép sử dụng giao thức N kênh “Dừng và đợi” để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh cho đóng gói lỗi và cải thiện khả năng phủ sóng đường biên cell. Với khả năng kết hợp và tùy chọn, tính tăng cường sự dư thừa (Incremental Redundancy) được hỗ trợ để cải thiện độ tin cậy của đường truyền dẫn. Một kênh ACK chuyên dụng cũng được cung cấp tính hiệu HARQ ACK / NACK cho đường uplink. Hoạt động đa kênh cũng được hỗ trợ. ARQ đa kênh dừng và đợi với một số lượng nhỏ các kênh là một giao thức đơn giản mà hiệu quả, yêu cầu bộ nhớ tối thiểu cho HARQ và sự dừng. Wimax cung cấp tín hiệu cho phép hoạt động hoàn toàn ở chế độ không đồng bộ. Chế độ không đồng bộ cho phép độ trễ thay đổi giữa những lần truyền lại cho nên có thể đem lại sự linh hoạt hơn cho việc lập lịch do hiệu quả của phần đầu được thêm vào 61 cho mỗi sự cấp phát việc truyền lại. HARQ kết hợp với nhau, cùng với CQICH và AMC đã tăng cường khả năng thích ứng đường truyền trong môi trường di động với tốc độ của phương tiện có thể lên tới 120 km/h. 2.2.2 Lớp MAC Hệ thống WiMAX (cả di động và cố định) thích hợp cho nhiều loại dịch vụ bao gồm thoại, dữ liệu, truyền hình ảnh. Mỗi dịch vụ có những yêu cầu riêng về tốc độ và các tham số khác, vì vậy lớp MAC hỗ trợ phân loại dịch vụ và gán cho nó những QoS (chất lượng dịch vụ) khác nhau. Tài nguyên đựoc cấp phát cho một người dùng bởi trình lập lịch MAC có thể thay đổi từ một khe thời gian đơn đến toàn bộ khung, do đó, cung cấp thông lượng năng động đến người dùng riêng tại bất cứ thời gian nào. Hơn thế, do thông tin cấp phát tài nguyên được vận chuyển trong thông điệp MAC ở đầu mỗi khung, trình lập lịch có thể thay đổi hiệu quả sự cấp phát tài nguyên theo kiểu từng khung một (frame by frame) để thích ứng với trạng thái tự nhiên của lưu lượng. 2.2.2.1 MAC hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS Với tốc độ đường truyền vô tuyến cao, khả năng truyền đối xứng đường lên/đường xuống, tài nguyên lớn và cơ chế cấp phát tài nguyên linh hoạt, Wimax di động hoàn toàn có thể đáp ứng được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS cho các dịch vụ và ứng dụng thông tin băng rộng Lớp MAC trong Wimax đi động, QoS được cung cấp qua các luồng dịch vụ như minh họa ở hình dưới. Đó là các luồn gói tin vô hướng được cung cấp bởi 1 tập các tham số QoS. Trước khi cung cấp một loại hình dịch vụ dữ liệu, trạm gốc và thiết bị người sử dụng đầu cuối trước tiên được thiết lập một đường liên kết logic vô hướng giữa các lớp MAC ngang hàng, được gọi là thực hiện kết nối. Đầu ra MAC sau đó sẽ kết hợp các gói tin đi qua giao diện MAC rồi đi vào trong luồng dịch vụ để được gửi đi thông qua kết nối. Hình 2.16 chỉ ra QoS được hỗ trợ trong Mobile WiMAX. 62 Hình 2.20 Hỗ trợ QoS trong Mobile WiMAX Các thông số QoS kết hợp với luồng dịch vụ xác định trình tự truyền và lập lịch trong giao diên vô tuyến. Do vậy QoS kết nối có hướng này có khả năng cung cấp thông tin điều khiển thông qua giao diện vô tuyến. Do đường truyền vô tuyến thường xảy ra hiện thắt nút cổ chai, QoS kết nối có hướng có thể cho phép điều khiển QoS đầu cuối đến đầu cuối (end to end) một cách hiệu quả. Các thông số luồng dịch vụ có thể được quản lý một cách linh hoạt thông qua các bản tin MAC để thỏa mãn những yêu cầu đa dạng của dịch vụ. Luồng dữ liệu dựa trên cơ chế QoS được ứng dụng cho cả đường lên và đường xuống đã cải thiện được QoS cho cả hai hướng. Wimax đi động hỗ trợ nhiều dịch vụ dữ liệu và ứng dụng với các yêu cầu QoS khác nhau. Bảng 2.8 Các dịnh vụ WiMAX di động và QoS Yêu cầu QoS UGS (Unsolicited Grant Ứng dụng VoIP (Voice over IP) Các đặc tính QoS -Duy trì tốc độ tối đa Servive) -Tối ưu hóa chống trễ rtPS (Real time Packet Luồng Audio hoặc Video -Triệt Jitter -Tốc độ tối thiểu định Service) (Streaming Audio or trước Video) -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ -Ưu tiên lưu lượng 63 ErtPS (Extended Real Thoại với sự bảo vệ tích -Tốc độ tối thiểu định time Packet Service) cực (VoIP with Activity trước Detection) -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ -Triệt Jitter nrtPS (Non Real time Giao thức truyền tải file -Ưu tiên lưu lượng -Tốc độ tối thiêu định Packet Service) (File Transfer Protocol) trước -Duy trì tốc độ tối đa BE (Best Effort) Truyền dữ liệu, duyệt Web -Ưu tiên lưu lượng -Duy trì tốc độ tối đa … -Ưu tiên lưu lượng 2.2.2.2 Dịch vụ lập lịch MAC (MAC Scheduling Service) Dịch vụ lập lịch trình MAC trong Wimax di động được thiết kế để truyền tải một cách hiệu quả các dịch vụ dữ liệu băng rộng bao gồm có thoại, dữ liệu , và hình ảnh thông qua sự thay đổi thời gian kênh không dây băng rộng. Dịch vụ lập lịch trình với các thuộc tính kèm theo có thể thực thi các dịch vụ dữ liệu băng rộng sau đây: - Bộ lập lịch dữ liệu nhanh: Bộ lập lịch MAC phải cấp phát tài nguyên hữu dụng một cách hiệu quả để đáp ứng được những điều kiện lưu lượng dữ liệu tăng lên và thời gian kênh thay đổi. Bộ lập lich được cấp phát tại mỗi trạm gốc để có thể đáp ứng nhanh chóng những yêu cầu về lưu lượng và tình trạng kênh. Những gói dữ liệu kết hợp với các luồng dịch vụ sẽ xác định tốt nhất các thông số QoS tại lớp MAC, do vậy bộ lập lịch có thể xác định một cách chính xác những yêu cầu truyền gói dữ liệu qua giao diện vô tuyến. Kênh CQICH cung cấp phản hồi thông tin kênh nhanh để thực hiện lập lịch giúp cho việc chọn phương pháp điều chế và mã hóa thích hợp cho mỗi sự cấp phát. Kỹ thuật điều chế / mã hóa thích ứng kết - hợp với HARQ cung cấp khả năng truyền dẫn cao qua kênh thay đổi thời gian. Lập lịch cho cả đường lên và đường xuống: Dịch vụ lập lịch được cung cấp cho cả lưu lượng đường lên và đường xuống. Để bộ lập lịch MAC có thể cấp phát tài nguyên một cách hiệu quả và đáp ứng yêu cầu QoS trên đường xuống, thì đường xuống phải phản hồi một cách chính xác, đúng thời điểm những thông tin về tình 64 trạng lưu lượng và những yêu cầu QoS. Băng thông đường lên đa đường yêu cầu những cơ chế, ví dụ như yêu cầu băng thông thông qua dải kênh, yêu cầu kích thước tải và bầu chọn được thiết kế để hỗ trợ cho những yêu cầu băng thông đường lên. Các luồng dịch vụ đường lên xác định cơ chế phản hồi cho mỗi kết nối đường lên để bảo đảm viêc dự đoán cho việc xử lý lập lịch đường lên. Hơn thế nữa, với các kênh con đường lên trực giao không hề xuất hiện nhiễu giữa các cell. Bộ lập lịch đuờng lên cấp phát tài nguyên hiệu qủa hơn và tốt hơn là sử dụng - QoS. Cấp phát tài nguyên động: Lớp MAC hỗ trợ việc cấp phát tài nguyên tần số - thời gian ở cả đường xuống và đường lên trên cơ sở từng frame. Việc cấp phát tài nguyên được gửi đi trong bản tin MAC vào phần đầu của mỗi khung. Do vậy, sự cấp phát tài nguyên có thể được thay đổi trên từng khung để đáp ứng với các tình trạng kênh và lưu lượng. Thêm vào đó, số lượng các tài nguyên trong mỗi sự cấp phát có thể thay đổi từ một khe cho tới toàn bộ khung. - QoS có hướng: bộ lập lịch MAC điều khiển việc vận chuyển dữ liệu dựa trên nền tảng liên kết các kết nối. Mỗi một kết nối kết hợp với một dịch vụ dữ liệu riêng lẻ cùng với việc điều chỉnh các thông số QoS mà có thể xác định được chất lượng những đáp ứng bên ngoài của nó. Với khả năng cấp phát tài nguyên động trên cả đường lên và đường xuống, bộ lập lịch có thể cung cấp QoS cao cấp cho cả lưu lượng đường lên và đường xuống. Thông thường với bộ lập lịch cho đường lên, nguồn tài nguyên đường lên được cấp phát hiệu quả hơn, có thể dự đoán hoạt động chính xác hơn, và thực thi QoS tốt hơn. - Bộ lập lịch lựa chọn tần số: Bộ lập lịch có thể hoạt động với nhiều loại kênh con khác nhau. Với những kênh con thay đổi tần số như là hoán vị PUSH, nơi mà những sóng mang con trên những kênh con được phân bố một cách ngẫu nhiên qua băng thông, các kênh con sẽ có chất lượng tương đương. Bộ lập lịch thay đổi tần số có thể hỗ trợ cho QoS với thuộc tính tốt và bộ lập lịch tài nguyên thời gian – tần số linh hoạt. Với sự hoán vị lân cận như hoán vị AMC, các kênh con có thể có những suy giảm khác nhau. Bộ lập lịch lựa chọn tần số có thể cấp phát cho người dùng di động để có sự tương ứng tốt nhất cho các kênh con. Bộ lập lịch lựa chọn tần số có thể tăng cuờng dung lượng hệ thống với mức vừa phải cho phần đầu của CQI trên đường lên. 65 2.2.2.3 Bảo mật WiMAX di động hỗ trợ tốt nhất các đặc tính lớp bảo mật nhờ áp dụng các công nghệ tốt nhất đang sẵn có hiện nay. Nó hỗ trợ cho xác thực giữa thiết bị/người dùng, giao thức quản lý khoá linh động, mã hoá lưu lượng, bảo vệ bản tin mặt phẳng quản lý và tối ưu hoá giao thức bảo mật cho các chuyển giao nhanh. Các nội dung chính của đặc điểm bảo mật là: - Giao thức quản lý khoá: Privacy và giao thức quản lý khóa phiên bản 2 là nền tảng bảo mật cho Wimax di động đã được định nghĩa trong chuẩn 802.16e. Giao thức này quản lý bảo mật MAC sử dụng bản tin PKM-REQ / RSP , xác thực PKM EAP, Điều khiển mã hóa lưu lượng (Traffic Ecryption Control), trao đổi khóa chuyển giao (Handover Key Device) và tất cả bản tin bảo mật Multicast / - Broadcast đều dựa trên giao thức này. Xác thực thiết bị/người sử dụng: Wimax di động hỗ trợ Xác thực thiết bị và người sử dụng bằng giao thức IETF hỗ trợ cho khả năng xác thực trên cơ sở SIM, USIM , xác thực số hay Username / Password. Tương ứng với các phượng thức xác thực EAP – SIM, EAP – AKA, EAP – TLS hay EAP – MSCHAP phiên bản 2 được hỗ trợ thông qua giao thức EAP. Phương pháp chuyển hóa khóa chỉ được hỗ trợ bởi - phương thức EAP. Mã hóa lưu lượng: AES-CCM là mật mã được sử dụng để bảo vệ tất cả các dữ liệu của người dung thông qua giao diện MAC trong Wimax di động. Khóa được sử dụng để điều khiển mật mã thông thường là xác thực EAP. Trạng thái mã hóa lưu lượng (Traffic Encryption State) mà có cơ chế nạp lại khóa tuần hoàn có khả năng chống lại sự thay đổi của các khóa, do đó cải thiện hơn nữa quá trình bảo - vệ. Bảo vệ bản tin điều khiển: Dữ liệu điều khiển được bảo vệ bằng cách sử dụng - AES dựa trên CMAC, hay MD5 dựa trên nguyên lý HMAC. Hỗ trợ chuyển giao nhanh: nguyên lý bắt tay 3 bước được Wimax di động hỗ trợ đã đưa ra cơ chế tái xác thực tích cực để phục vụ cho chuyển giao nhanh. Cơ chế này rất hữu ích đối với việc ngăn chặn người ở giữa có thể thực hiện tấn công. 66  Kết luận chương 2: Chương hai đã trình bày những vấn đề kỹ thuật chính trong chuẩn IEEE 802.16-2004 Fixed WiMAX và IEEE 802.16e Mobile WiMAX. Từ đó ta có thể dễ dàng nhìn ra được những điểm giống và khác nhau giữa hai chuẩn này. Chuẩn IEEE 802.16d – 2004 thích hợp cho ứng dụng truy cập cố định. Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 thích hợp cho cả hai loại đầu cuối di động cũng như cố định. Hai chuẩn này đều có nhưng ưu điểm và ứng dụng nhất lựa chọn chuẩn nào là phụ thuộc bào các loại thiết bị đầu cuối của các nhà cung cấp. Sanng Chương 3 chung ta sẽ đi tìm hiểu kĩ hơn về phương thức điều chế tín hiệu OFDM và OFDMA trong WiMAX. 67 CHƯƠNG III: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM  Giới thiệu chương: Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM. Qua đó chúng ta sẽ thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này khi được ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói chung và những kỹ thuật truyền thông khác. 3.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 3.1.1 Khái niệm Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường. Hình 3.1: So sánh giữa FDMA và OFDM Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn 68 Mobile WiMAX (Scalable OFDMA), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh. Hình 3.2 Tín hiệu OFDM Hình 3.3 Phổ tín hiệu OFDM 3.1.2 Lịch sử phát triển: Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được xuất hiện cách nay hơn 40 năm: - Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ. - Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM. 69 - Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động của OFDM ở băng tần 5GHz UNI. - Năm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần 2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp. Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu. 3.1.3 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sau đây : - Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền. - OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng. - Cấu trúc máy thu đơn giản. Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau : - Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền. - Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ. Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu. 70 3.2 Nguyên lý điều chế OFDM 3.2.1 Sự trực giao giữa 2 tín hiệu 1 T ts +T ∫ s (t )⋅ s (t )dt = * i j k, 0, i=j i#j (3.1) ts 0, i≠j Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là s i(t) và sj(t). Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau: Trong đó : sk (t) = e(j2пk∆ft) , k=1,2,….,N 0 Δf= 1 T (3.2) , k khác là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là số các sóng mang con, N.Δf là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian. Dấu “*” trong công thức (3.1) chỉ sự liên hợp phức. Ví dụ: nếu tín hiệu là sin(mx) với m = 1,2…. thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector. Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0. 71 Hình 3.4 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0 72 3.2.2 Sơ đồ điều chế Hình 3.5 Bộ điều chế OFDM Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con là n, n ∈ { − L,− L + 1,..., −1,0,1,..., L − 1, L} , nên NFFT=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào { al } chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N FFT lần thông qua bộ chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song { al } lại được điều chế thành mẫu của d k ,n tín hiệu phức đa mức , n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian ứng với Nc mẫu tín d k ,n hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với hàm phức e jL ωs t , làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau 73 +L ∑d m’k(t)= m=− L S ' (t − kT )e jωs t k ,n (3.3) Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là ∞ ∑m m(t)= k = −∞ ' k ∞ +L ∑ ∑d (t ) = k = −∞ m=− L k ,n S ' (t − kT )e jωs t (3.4) Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI. Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Điều chế OFDM bằng phương pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép một số lượng lớn các sóng mang con với độ phức tạp thấp. 3.2.3 Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tương tự thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu 1 B 1 ta= = N FFT = TS N FFT (3.5) Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta,, S’(t-kT) =S0, do vậy (2.3) viết lại : +L ∑d ’ m k(kTs+lta) = S0 n=− L +L ∑d =S0 n =− L k ,n . k ,n e jnωs ( kTS +lta ) e jnωs kTS .e jnωS lta (3.6) 74 πf S k Do ωSkTS = 2 1 = 2kπ fS Tương tự như vậy, với e , kết quả jnω S lta =e e jnωS kTS = 1 jn 2πf S 1 f S N FFT +L ∑d m’k(kTs+lta)=S0 n=− L k ,n =e e j 2π j 2π nl N FFT , (2.6) được viết lại: nl N FFT (3.7) Phép biểu diễn (2.7) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. 3.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ). Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài T G ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau: GI Phần tín hinệutíncóhi ích Phầ ệu có ích Hình 3.5 Chuỗi bảo vệ GI Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài T G thì tín hiệu này có chiều 75 dài là T = TS+TG. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ mô tả trang bên,hình a,tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài T G sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp TG ≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM.Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là: TG ≥τ MAX (3.8) với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh. Hình 3.6 Symbol OFDM khi không có chuỗi bảo vệ Hình 3.7 Symbol OFDM khi có chuỗi bảo vệ Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở máy thu. Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên tăng phổ của tốc độ truyền nên 76 phổ tín hiệu sẽ tăng, tiêu tốn băng thông, làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông một lượng là: η= TS TS + TG 3.2.5 Phép nhân với xung cơ bản Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được nhân với xung cơ bản. Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp với độ rộng kênh truyền.Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệ thống khác. Trong OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM, xung cơ bản thường là xung vuông hay xung chữ nhật. Sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là TS + TG. S(t) -TG 0 TS T Hình 3.8 Xung cơ bản Trong thực tế xung cơ bản thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng (Raise cosine filter). 3.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM 3.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường Kênh truyền dẫn phân tập đa đường,về mặt toán học, được biểu hiện qua đáp ứng xung h(τ, t) và hàm truyền đạt H(j , t).Đối với đáp ứng xung, biến là trễ truyền dẫn của kênh, là khoảng thời gian tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu. Biến đổi Fourier của đáp ứng xung cho ta hàm truyền đạt của kênh 77 ∞ ∫ h(τ , t )e H(jω,t) = − jωτ dτ −∞ (3.10) Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t) và đáp ứng xung: m (t) m(t) h(τ,t) u (t) H(jω,t) Hình 3.9 Mô hình kênh truyền Trong miền thời gian là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh: τ maz u(t) = m(t) * h( τ ,t ∫ h(τ , t )m(t − τ )dτ 0 )= ( 3.11) 3.3.2 Nguyên tắc giải điều chế 3.3.2.1 Sơ đồ Hình 3.9 Bộ thu tín hiệu OFDM 78 Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát. Tín hiệu thu sẽ được tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và chuyển đổi song song sang nối tiếp Hình 3.10 Tách chuỗi bảo vệ Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là: u’(kTS+t)=u(kT+t) (3.12) 2.3.2.2 Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta. Khi đó độ rộng một mẫu là : Ts N FFT ta = (3.13) Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhân được sẽ trở thành luồng tín hiệu số: u’(t) => uk’(kTs + nta) , n=0,1,2,....,NFFT – 1 (3.14) ^ Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế ^ d k ,l = ta TS N FFT −1 ∑u n =0 ' k d k ,l được biểu diễn dưới dạng số: (kTS + nt a )e − jlωS ( kTS + nta ) (3.15) 79 Tách sự biểu diễn thành phần mũ thành tích hai thành phần (2.15) được viết lại dưới dạng: ^ d k ,l = ta TS N FFT −1 ∑u n =0 ω S = 2π Với ω S t a = 2π Mặt khác, ' k (3.16) 1 T 1 2π ta = TS N FFT 1 ^ d k ,l = (kTS + nt a )e − jlωS kTS e − jlωS nta N FFT , thì e − jlωS kTS = e − jlk 2π = 1 nên (3.16) viết lại: N FFT −1 ∑u n =0 ' k (kTS + nt a )e − j 2πn / N FFT ( 3.17) Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài NFFT. 3.4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM Ngày nay, kĩ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hoá là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số như DAB (Digital Audio Broadcasting), DRM (Digital Radio Mondiale - hệ thống phát thanh số đường dài thay cho hệ thống AM), các hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting for Terrestrial Transmission Mode), DVB-H (Digital Video Broadcasting for Handheld) và ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL là nhờ kĩ thuật OFDM.Nhờ kĩ thuật điều chế đa sóng mang và cho phép chồng lấn phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong ADSL tăng lên đán. 3.4.1 Hệ thống DRM 80 Hình 3.11 Hệ thống DRM DRM là hệ thống phát thanh số thay thế cho hệ thống phát thanh truyền thống AM. Tần số sóng mang cho hệ thống DRM tương đối thấp, nhỏ hơn 30MHz, phù hợp cho việc truyền sóng khoảng cách lớn. Môi trường truyền sóng của hệ thống là kênh phân tập đa đường có sự tham gia phản xạ mặt đất và tầng điện li nên phạm vi phủ sóng của DRM rất lớn, có thể phủ sóng đa quốc gia hay liên lục địa. Các tham số cơ bản của DRM theo ETSI, như sau: Độ rộng băng: B=9.328kHz Độ dài FFT: NFFT= 256. Số sóng mang được sử dụng để truyền tin: NC=198. Do trễ truyền dẫn tương đối lớn nên hệ thống DRM được thiết kế chỉ dành cho các máy thu tĩnh hay xách tay. Điều này khác hẳn so với hệ thống DAB hay DVB được thiết kế cho máy thu có tốc độ di chuyển tương đối lớn như ô tô, tàu hoả…. 3.4.2 Các hệ thống DVB 3.4.2.1 DVB-T Giới thiệu 81 Thế hệ máy phát số ra đời khắc phục nhược điểm của máy phát tương tự như khả năng mang nhiều chương trình trên một kênh RF, hỗ trợ khả năng thu tín hiệu đa đường và thu di động… Máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự giống nhau, chỉ khác nhau phần điều chế. Hình 3.12: Sơ đồ khối bộ DVB-T. Đặcđiểm Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành từng khung, cứ 4 khung liên tiếp tạo thành 1 siêu khung.Lí do của việc tạo khung là để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số của phía phát bằng các sóng mang báo hiệu thông số phía phát (Transmission Parameters Signalling carriers- TPS). Việc hình thành siêu khung là để chèn đủ số nguyên lần gói mã sửa sai reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 dù ta chọn bất kì cấu hình nào để tránh việc chèn thêm các gói đệm không cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian được đánh số từ 0 đến 67.Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 với chế độ 8K, 1705 với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8MHz (ở nước ta chọn dải thông 8MHz, một số nước khác chọn 7MHz). Như vậy, một symbol ODFM sẽ chứa: - Sóng mang dữ liệu: được điều chế M-QAM, với mode 8K là 6048 sóng mang và mode 2K là 1512. - Sóng mang dẫn đường (pilot symbol, mang thông tin phía phát để khôi phục tín hiệu: các pilot này thường được điều chế BPSK với mức công suất 2.5dB - Pilot liên tục: gồm 177 pilot với mode 8K, 15 với mode 2K, có vị trí cố định trong 8MHz để phía thu sửa lỗi tần số và pha, tự động điều chỉnh tần số. 82 - Pilot rời rạc: 524 với mode 8K, 131 với mode 2K, không có vị trí cố định trong miền tần số nhưng được rải đều trong dải tần 8MHz, giúp đầu thu tự động điều chỉnh để đạt đáp ứng kênh tốt nhất. - Sóng mang thông số phát TPS: chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK, gồm 68 sóng mang trong mode 8K, 17 trong mode 2K luôn có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao BPSK và trong dải thông 78MHz. Để tránh nhiễu giữa các kí hiệu ISI và nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang ICI, nguời ta thực hiện chèn thêm chuỗi bảo vệ GI vào mỗi symbol. Việc chèn thêm này được thực hiện bên phía phát với thời gian bảo vệ T G khác nhau theo quy định của DVB: 1/4 TU, 1/8 TU, 1/16TU, 1/32 TU (TU: chiều dài phần tín hiệu có ích). 3.4.2.2 DVB-H: Điện thoại di động truyền hình Sơ đồ Hình 3.13 Sơ đồ thu của DVB – H Cấu trúc máy thu của điện thoại di động DVB-H được cho trên hình gồm 2 phần: - Một bộ giải điều chế DVB-H (gồm khối điều chế DVB-T, module Time slicing và module MPE-FEC) và một đầu cuối DVB-H. - Tín hiệu vào là tín hiệu DVB-T. Khối điều chế DVB-T thu lại các gói dòng truyền tải MPEG-2, tín hiệu này cung cấp các mode truyền dẫn (2K, 8K và 4K) với các tín hiệu mang thông số truyền dẫn - TPS tương ứng.Module Time Slicing 83 giúp tiết kiệm công suất tiêu thụ và hỗ trợ việc chuyển giao mạng linh hoạt hơn. Module MPE-FEC cung cấp mã sửa lỗi tiến cho phép bộ thu có thể đương đầu với các điều kiện thu đặc biệt khó khăn. Tín hiệu ra khỏi giải điều chế DVB-H có dạng các gói của dòng truyền tải TS hoặc các IP Datagrams (khi thu tín hiệu DVB-H).Đầu cuối DVB-H giải mã các IP Datagrams,hiển thị nội dung của các chương trình DVB-H. Hiện nay nhiều hãng sản xuất điện thoại đã có các thế hệ ĐTDĐ DVB-H đầu tiên: NOKIA 7700 và 7710, PHILIPS HoTMAN 2, SIEMENS… Kiến trúc ban đầu của các máy ĐTDĐ DVB-H hiện nay gồm: - Điện thoại tích hợp 3 băng tần số: GSM, GPRS và UMTS (3G). - Bộ thu DVB-H. - Camera 1.3M pixel. - Màn hiển thị VGA (640 x 480). - Màn hình cảm biến - touch screen. - Âm thanh ngõ ra Stereo. - Hỗ trợ chuẩn không dây Bluetooth. - Bộ nhớ trong có dung lượng 1Gbit Hãng NOKIA tuyên bố từ nay hãng sẽ tung ra thị trường khoảng 60 thiết bị sang trọng có tích hợp DVB-H . DVB-H đang có những ưu thế vượt trội của mình: Tiết kiệm năng lượng Pin tới 90%, thu tín hiệu trong môi trường di động tốt, tín hiệu được đóng gói dạng IP và truyền tín hiệu dưới dạng quảng bá tới các máy điện thoại di động. Bởi vậy ứng dụng công nghệ quảng bá DVB-H cho đường xuống (downlink) của các máy điện thoại trong mạng di động dường như là một giải pháp mang tính đột phá mà các thế hệ mạng viễn thông 2G (GSM); 2,5G (GPRS) và 3G (UMTS) hiện nay chưa thể khắc phục ngay được. Đó là không bị hạn chế về băng thông khi tại cùng một thời điểm số thuê bao sử các dụng dịch vụ truyền hình trực tuyến tăng vọt. 84 Sự hội tụ giữa công nghệ quảng bá DVB-H và viễn thông đang được các hãng truyền thông lớn trên thế giới thử nghiệm tại nhiều nước trên thế giới (mô hình DVB-H & GPRS hay DVB-H & UMTS) và đã chính thức đưa ra sản phẩm của mình vào đầu năm 2005 như Nokia, Philips, Siemens...các hãng sản suất máy phát số hàng đầu thế giới (Harris, Intelco, Rohde&Schwarz...) cũng đã xuất xưởng các thiết bị tích hợp công nghệ DVB-H. Cuộc đua giữa điện thoại di động 3G và điện thoại di động truyền hình DVB-H đã bắt đầu! Với những ưu thế của mình, ĐTDĐ truyền hình công nghệ DVB-H đang mở ra những triển vọng mới cho người sử dụng. Bảng 3.1: So sánh giữa DVB –T và DVB – H Hiện nay với công nghệ phát số mặt đất (DVB-T) chúng ta có thể phát được khoảng 6-7 chương trình TV (SDTV) trên một kênh sóng (với tốc độ tổng là 27,14 Mbit/s). Trong khi đó công nghệ IP Datacast (DVB-H) dễ dàng tương thích với các màn hình cỡ nhỏ (vài inch) của các đầu cuối cầm tay. Với màn hình nhỏ thì chỉ với tốc độ 128-384 Kbit/s trên một kênh (hay một chương trình TV yêu cầu) đã có thể phân phối 85 một kênh video chất lượng cao. Chính công nghệ này đã làm tăng hiệu quả của quá trình phát quảng bá và có thể truyền được từ 10 đến 55 chương trình TV trên một kênh sóng. Ngoài ra, trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G), kĩ thuật OFDM còn còn thể kết hợp với các kĩ thuật khác như phân tập anten (MIMO- Multi In Multi Out- đa anten phát thu) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập vào mạng.Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong OFDM; tuy nhiên, khả năng ứng dụng những kĩ thuật này cần được kiểm chứng trong tương lai.  Kết luận chương: Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của kỹ thuật điều chế OFDM, những ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế, giải điều chế. Qua đó chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA được sử dụng trong công nghệ WiMAX sẽ trình bày ở chương 4 86 CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX  Giới thiệu chương: Chương 4 sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng. 4.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao ) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM. Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể. 4.2 Đặc điểm OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định đươc cải thiện.Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi access Interfearence- MAI) Hình 4.1 ODFM và OFDMA 87 Hình 4.2 mô tả một ví dụ về bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7 người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang phụ có sẵn,khác với những người còn lại. Hình 4.2: Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA. Thí dụ cụ thể này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM. 7 người sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang theo bốn khe thời gian. 4.3 OFDMA nhảy tần Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định (fix set) cho sóng mang. Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụ theo khe thời gian như được mô tả trong hình. Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi user làm biến đổi thực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần. Điều này có lợi là tính phân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi user dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như là có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ biến đối với các biến thể của CDMA. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward Error Correcting - FEC) trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị fading sâu hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các user khác. Do đặc tính xuyên nhiễu và fading thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào user và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất. 88 Hình 4.3: Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian. Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DSCDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào. Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 3.4 cho N sóng mang phụ,nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao. Hình 3.4: 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 89 4.4 Hệ thống OFDMA Điềuchế băng tần gChè ốcn ký tự dẫn đường IFFT Chèn GI DAC Kênh truyền Giải điều chế băng tần gCâốnc bằng kênh IFFT Tách GI DAC Tách ký tự dẫn đường Khôi phục kênh truyền Hình 4.5: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA Nguồn tín hiệu làm một bít được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK ,M- QAM… Tín hiệu dẫn đường (bản tin dẫn đường, kênh hoa tiêu - pilot symbol) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ GI. Luồng tín hiệu số được chuyển thành tín hiệu tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát. Tín hiệu này sẽ bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng AWGN (Addictive White Gaussian Noise). Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu, được phát kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống. 90 Hình 4.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA Phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát. Để khôi phục tín hiệu phát thì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm. Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu. Luồng thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại được đưa đến bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Đối với kênh hướng xuống : Hình 4.7 OFDMA downlink 91 Hình 4.8 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink Cấu trúc cụm bao gồm 1 kênh con trong miền tần số và n kí hiệu OFDM trong miền thời gian, chứa N sóng mang. Mỗi sóng mang có thể được điều chế khác nhau. Đối với kênh hướng lên : Hình 4.9 OFDMA uplink 92 Hình 4.10 Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink Cấu trúc cụm gồm 1 kênh con trong miền tần số và 3 kí hiệu OFDM trong miền thời gian, mỗi cụm chứ 144 sóng mang dữ liệu, sử dụng điều chế thích nghi trên từng user; mỗi user có thể yêu cầu từ 1 đến 32 kênh con; 2 kênh con được sử dụng làm ranging (phép đo cự li bằng cách đo thời gian truyền của tín hiệu điện từ) và yêu cầu băng thông (nếu có) của user . Khi cấp sóng mang cho các user, OFDMA tạo ra một dãy cơ bản các sóng mang rồi thực hiện dịch vòng dãy khi cấp cho các user khác nhau. 4.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 93 Hình 4.11 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian Mẫu tin dẫn đường có thể được chèn cùng với mẫu tin có ích ở cả miền tần số và miền thời gian như trên hình. Tuy nhiên khoảng cách giữa hai mẫu tín hiệu dẫn đường liên tiếp nhau tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian. Ở miền tần số, sự biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh τ max (maximum propagation delay or delay spread). Với rf là tỉ số lấy mẫu (oversampling) ở miền tần số, fs là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang con, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường ở miền tần số Df phải thoả mãn điều kiện sau: rf = 1 ≥1 D f f Sτ max (3.1) Tỉ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số r f phải là 1. Tỉ số này có thể lớn hơn 1, khi đó, số mẫu tin dẫn đường nhiều hơn mức cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượt mức (oversampling). Trong trường hợp khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu như trên, r f [...]... núi,… những nơi vô cùng khó khăn và bất lợi đối với việc triển khai các hệ thống có dây Trong tương lai, WiMAX sẽ được tích hợp vào các thiết bị không cố định như máy xách tay, PDA,… 14 WiMAX và 3G Với việc được đưa vào họ chuẩn quốc tế IMT-2000, WiMAX đã ứng ngang hàng với 3G trong khía cạnh chuẩn hóa quốc tế để triển khai vào thực tế Theo quan điểm của người viết, WiMAX và 3G sẽ song song tồn tại, với... của công nghệ WiMAX 4.1 1.5.1.1 Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền tảng kĩ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tập đa đường, cho phép WiMAX hoạt động tốt trong môi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do đó khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể lên đến 50km Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các... xách tay gắn chip WiMAX Centrino của Intel hỗ trợ chuẩn kết nối Internet không dây diện rộng WiMAX mang tên Montevina vào năm 2008 Các máy tính xách tay này sẽ được tích hợp chip tích hợp cả WiFi và WiMAX, tạo điều kiện cho người dùng đầu cuối có thể dễ dàng lựa chọn kết nối với một trong hai công nghệ trên 31 Mỹ, Hàn Quốc và Nhật là những nước đi tiên phong trong việc ứng dụng WiMAX vào thương mại hóa... áp dụng trong việc truyền và sắp xếp dữ liệu Lớp con bảo mật cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa Lớp vật lý bao gồm rất nhiều các định nghĩa khác nhau, mỗi cái thích hợp cho một dãy tần số và ứng dụng riêng Sau đây sẽ trình bày những đặc điểm chính về lớp MAC và PHY trong hai chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16d-2004) và WiMAX di động IEEE 802.16e-2005) 2.1 WiMAX cố định – IEEE 802.16d... kiến sẽ triển khai thử nghiệm Mobile WiMAX ở Hà Nội, Thành phố Hồ Chính Minh và Đà Nẵng với thiết bị thử nghiệm được cung cấp bởi hãng Motorola, Mỹ 33  Kết luận chương 2: Với những nội dụng được trình bày trong chương 1 đã cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về công nghệ WiMAX, chúng ta cơ bản hiểu được cấu trúc bên trong, ưu nhược điểm của wimax, và những ứng dụng trong thực tế của nó Khi đã nắm vững... tập trung vào việc mô tả và chuẩn hoá hai lớp liên kiết dữ liệu (Datalink Layer) và lớp vật lý (Physical Layer) trong mô hình OSI Hình 2.1 thể hiện vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY trong WiMAX Bảng 2.1 Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY Sơ lược về các lớp trong chuẩn 802.16 nói chung: Lớp MAC mô tả trong 802.16 bao gồm ba lớp con (Sublayer): lớp con hội tụ (CS), lớp con MAC (CPS) và lớp con... Internet DSL và cáp - CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem được sử dụng trong máy tính cá nhân (PC) và PDA, vì ở khoảng cách gần các modem có thể tự lắp đặt trong nhà CPE sẽ tương tự như cáp, DSL và các trạm gốc có thể sử dụng cùng loại chipset chung được thiết kế cho các điểm truy cập WiMAX chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăng cũng thỏa mãn cho việc đầu tư vào việc tích... nó giảm chi phí thu được từ khách hàng, và tăng ARPU (thu nhập trung bình trên mỗi người sử dụng) WSP chỉ cần một hệ thống quảng cáo và một cơ sở dữ liệu khách hàng Các nhà vận hành tế bào cũng quan tâm tới ứng dụng WiMAX trong mạng của họ Các nhà vận hành đã có các cơ sở hạ tầng quảng cáo và khách hàng, nhưng triển khai giải pháp WiMAX sẽ mở rộng thị trường trong vùng dịch vụ của họ Tất cả các giải... Hoạt động trong ca 2 môi trường truyền dẫn: đường truyền nhìn thẳng LOS và - đường truyền che khuất NLOS Dải tần làm việc 2-11GHz và 10 -66 GHz Hướng truyền tin được chia thành 2 đường lên và xuống Phân chia đường lên và - xuống có thể dung 2 công nghệ TDD và FDD Fixed WiMAX sử dụng phương pháp điều chế OFDM, định nghĩa kích thước của FFT là 256 với 192 sóng mang dữ liệu, 8 sóng mang dẫn đường và 55 sóng... sử dụng trong các ứng dụng trong nhà Băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10 MHz 1.2.4 WiMAX và các công nghệ không dây khác Mạng đô thị MAN theo định nghĩa là mạng bao phủ trên phạm vi một đô thị Về mặt ứng dụng, trên mạng MAN người ta có thể triển khai cung cấp thông tin cho rất nhiều các loại dịch vụ công cộng khác nhau như y tế, văn hóa, xã hội… Về mặt kĩ thuật, mạng ... Khoa : 50 Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện Tử - Viễn Thông Đầu đề đồ án: WiMAX VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG WiMAX …………………………………………………………… Các số liệu liệu ban đầu: …………………………………… ……………………………………………... thị trường lớn tương lai Xuất phát từ vấn đề nêu trên, em lựa chọn đề tài: WiMAX VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG WiMAX Tôi xin chân thành cảm ơn thấy giáo Nguyễn Quốc Trung đồng thời giáo viên... sử dụng kĩ thuật OFDM OFDM sử dụng tối đa 2048 sóng mang, 1536 sóng mang dành cho thông tin chia thành 32 kênh con, kênh tương đương 48 sóng mang WiMAX sử dụng thêm điều chế nhiều mức thích ứng